超高强度飞秒脉冲的三次谐波转换

针对超高强度飞秒激光,对利用单块BBO晶体产生三倍频(THG)的过程进行了分析,比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效应对三倍频转换效率的作用,讨论了入射基频光光强、晶体厚度、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形及光谱分布的影响,在此基础上,提出了提高三倍频转换效率的方法.研究结果表明:入射基频光强一定时,三倍频光的峰值光强、脉冲宽度(FWHM)随晶体厚度变化不明显.通过优化基频光入射角度,可提高单块BBO晶体三倍频光转换效率及峰值光强,并减小三倍频光脉冲宽度.此外,方位角的优化也可在一定程度上提高三倍频转换效率.     

采用角谱色散补偿法的宽带三倍频方案分析

针对线性啁啾的宽频带激光,分析了采用角谱色散(ASD)方法实现Ⅰ/Ⅱ类角度失谐的KDP晶体三倍频方案,讨论了光栅角色散、入射基频光的光强、带宽以及晶体厚度对三倍频转换效率、脉冲波形和光谱分布的影响,并对采用角谱色散补偿法的宽带三倍频方案参数进行了优化.研究结果表明,采用ASD方法,不仅能有效地提高带宽较宽条件下三倍频光的转换效率,而且还可以使三倍频光脉宽和带宽明显变宽、脉冲波形和光谱分布变光滑.经方案优化后,当入射基频光带宽11.2nm、光强2-6GW/cm2时的三倍频光转换效率可达到60%左右,比不采用ASD时的三倍频光转换效率提高了40%左右.     

脉冲形状对三次谐波转换的影响分析

本文研究了基频光脉冲波形对三倍频转换效率的影响,对高斯脉冲和平顶脉冲的不同谐波转换特点作了详细分析,研究结果表明,当基频光脉冲形状偏离理想的平顶分布时,适当地降低二倍频转换效率,可提高三倍频转换效率。当基频光为高斯脉冲时,在3GW/cm2的输入条件下最佳的二倍频转换效率为56.8％,低于理论预计的66.7％。进一步的,计算了不同功率密度下,最佳二倍频转换效率与超高斯脉冲阶数的关系。     

CLBO晶体的宽带三倍频模拟分析

为了研究高效的宽带三次谐波转换技术，采用了分步傅里叶变换和四阶Runge-Kutta法对CLBO晶体的宽带三倍频过程进行了数值模拟，分析了单倍单混和单倍双混模式下三倍频转换效率随入射基频光强度、频谱带宽的变化关系，并与KDP晶体的宽带三倍频转换特性进行了对比。在强度为3GW/cm2的40阶超高斯脉冲入射下，得到单倍双混模式下三倍频转换效率达到60%时对应的频谱宽度为650GHz，这与利用KDP晶体在相同条件下获得的频谱宽度相比，提高了近250GHz。研究结果表明，在单倍双混模式下使用CLBO晶体作为频率转换的非线性晶体可以有效地提高宽带三倍频的转换效率。     

CsLiB6O10晶体的宽带三倍频模拟分析

为了研究高效的宽带三次谐波转换技术,采用了分步傅里叶变换和四阶龙格-库塔法对CsLiB6O10(CLBO)晶体的宽带三倍频过程进行了数值模拟,分析了单倍单混和单倍双混模式下三倍频转换效率随入射基频光强度、频谱带宽的变化关系,并与KDP晶体的宽带三倍频转换特性进行了对比.在强度为3GW/cm2的0阶超高斯脉冲入射下,得到单倍双混模式下三倍频转换效率达到60%时对应的频谱宽度为650GHz,这与利用KDP晶体在相同条件下获得的频谱宽度相比,提高了近250GHz.研究结果表明,在单倍双混模式下使用CLBO晶体作为频率转换的非线性晶体可以有效地提高宽带三倍频的转换效率.     

脉冲形状对3次谐波转换的影响分析

为了使谐波转换系统保持高效稳定的3次谐波转换,采用数值模拟的方法,研究了基频光脉冲波形对3倍频转换效率的影响,并对高斯脉冲和平顶脉冲的不同谐波转换特点作了详细分析.当基频光为高斯脉冲时,在3GW/cm2的输入条件下最佳的2倍频转换效率为56.8%,低于理论预计的66.7%.进一步计算了不同功率密度下,最佳2倍频转换效率与超高斯脉冲阶数的关系.当考虑空间走离效应,基频光时间和空间均为平顶分布时,最佳的2倍频转换效率为62%;若基频光时间为平顶分布、空间分布为高斯分布时,最佳2倍频转换效率为51%,进一步地偏离66.7%.结果表明,当基频光脉冲形状偏离理想的平顶分布时,适当地降低2倍频转换效率,可提高3倍频转换效率.     

大口径KDP晶体高效率倍频的实验研究

本文介绍了利用直径为50mm、Ⅱ类匹配的KDP晶体进行单块晶体倍频和双块晶体串接倍频的实验结果。输入基频激光功率密度分别为2.8GW/cm~2和2.2GW/cm~2时,单块与双块晶体倍频能量转换效率分别为70％和67％。并对实验结果进行了讨论。     

高强度三倍频实验研究

针对KDP晶体的TypeI+ TypeⅡ匹配方式的三倍频方案,采用理论模拟与实验研究相结合方式,从非线性耦合波方程组出发,编制了考虑衍射、离散、吸收和端面反射等物理因素的二维模拟计算程序.针对x、y方向均是六阶超高斯分布的入射基频光,功率密度在2～8 GW/cm2时,得到了TypeⅠ倍频晶体厚度11.8 mm、失谐角300 μrad,TypeⅡ混频晶体厚度9 mm、失谐角为0 μrad的优化参数,此时三倍频转换具有较大的动态范围和较高的效率. 在星光Ⅱ激光装置大厅建立了高强度三倍频实验研究平台,实验平台上基频光光束口径为Φ70 mm、功率密度为1～7 GW/cm2内可调、脉冲宽度约为0.8 ns.在实验平台上采用Φ100 mm能量卡计对基频光(1ω)、二倍频(2ω)和三倍频光(3ω)的能量进行测量,二、三倍频的外部转换效率可达60%以上;利用条纹相机对1ω光和3ω光的脉宽进行测量,脉宽变化基本为0.8 ns(1ω)和0.5 ns(3ω);采用512×512点阵的CCD对1ω光和3ω光的近场分布进行了对应测量,通过图像处理,得到描述光束质量的强度调制度和通量对比度值.基频光的远场发散角利用列阵相机进行监测,得到对应的1ω光光束发散角θ=0.3±0.06 mrad.在倍频晶体后5 m远处用哈特曼小孔阵列板测量基频光和三倍频光的波前分布,得其均方根(rms)分别为1.129 waves和0.425 waves.实验中,当入射基频光功率密度较高时,倍频晶体出现了明显的非线性自聚焦丝破坏现象.(OB11)     

高效宽带二倍频激光原理及实现方法

利用两块Ⅰ类KDP倍频晶体级联的方式,研究了时间相位调制宽带激光的二倍频特性.实验获得了二倍频转换效率与入射基频光功率密度的关系,在基频光功率密度为1.6 GW/cm2时,最大二倍频转换效率达70％,接近理论模拟的结果.实验结果表明,在高功率密度和低功率密度基频光条件下,倍频光光谱宽度约为入射基频光带宽的一半,与理论计...     

双磷酸氧钛钾晶体倍频特性的实验研究

为了研究双块磷酸氧钛钾(KTiOPO4,KTP)晶体串接倍频对于提高绿光倍频激光器的转换效率的作用,采用长度分别为6mm,8mm和15mm的3块KTP晶体两两串接组合进行了实验验证,绘制了单块晶体倍频和双块晶体串接倍频时的转换效率曲线,并对其进行了比较分析。结果表明,基频光功率密度从520MW/cm2到750MW/cm2时,双块KTP晶体正交串接倍频不仅比双块KTP晶体平行串接倍频的转换效率高近10%,而且比长度是两块晶体之和的单块长KTP晶体的倍频转换效率高近30%。这一实验结果对于提高绿光倍频激光器的转换效率有一定的意义。     

光子晶体中二阶非线性过程产生三次谐波的研究

运用非线性耦合波理论,分析了在非线性光子晶体中,通过二阶过程产生三次谐波的准相位匹配条件。数值模拟结果表明,在入射光中引入倍频光信号,能够极大地改变三次谐波的转换效率。当入射光中倍频光与基频光强度比以及两者复振幅的初相角满足一定的条件时,可在宽的入射光强范围内获得很高的三次谐波转换效率。     

利用晶体串接实现宽带三次谐波转换

从耦合波方程出发,分别在小信号、高功率密度(1.5 GW/cm2)条件下研究了晶体串接三次谐波(THG)转换方案,并利用实验验证了该方案。实验观察到这种方案可以有效提高宽带激光三次谐波转换效率,但混频晶体之间的距离对宽带三次谐波转换效率影响明显。在1.5 GW/cm2平均功率密度下,实验中最佳距离25 mm处,对带宽3.5 nm的啁啾脉冲取得了19.75%的三倍频效率,这对于高功率激光宽带三次谐波转换的解决很有意义。     

利用Ⅱ类相位匹配实现稳定倍频输出

提出利用Ⅱ类相位匹配方法实现稳定倍频输出,并对该方法进行了理论分析和数值模拟。数值模拟是对KTP晶体xy平面内的Ⅱ类相位匹配倍频过程进行的。数值计算结果表明,Ⅱ类相位匹配倍频过程中,当基频光以除最佳入射偏振角之外的偏振方向入射时,倍频强度曲线随倍频晶体长度增加而呈周期性变化;由于这种周期性变化的存在,当基频光起伏变化时,倍频强度曲线会交叉汇聚,出现倍频稳定区;当偏离角(入射偏振角与最佳入射偏振角差值)一定时,随着基频光入射强度的增大,实现稳定倍频输出所需的倍频晶体长度减小,稳定输出时倍频效率不变;当基频光强度一定时,随着偏离角的增大,倍频输出稳定性提高,倍频效率稍有下降。     

强激光三次谐波转换效率与相位扰动的关系

研究了以Ⅰ／Ⅱ类角度失谐设置方式下，高强度激光在KDP晶体中的谐波转换问题。采用了包括三阶非线性、离散及衍射等效应的谐波转换计算模型，详细讨论了在三阶非线性、离散和衍射等效应的情况下，相位扰动与三次谐波转换(THG)效率的关系，绘出了相应的关系曲线。结果表明，相位扰动会使三次谐波转换效率降低，谐波转换效率越高三倍频的调制越小，提高二三次谐波转换效率可以抑制相位扰动对其产生的不利影响。     

用于ICF驱动器高效三倍频方案的分析

用数值计算方法对适用于ICF驱动器的Ⅰ/Ⅱ角度失谐和Ⅱ/Ⅱ偏振失配(在5.0GW/cm2附近获得最佳三倍频转换效率)两种三倍频方案进行了详细地对比分析,还给出了基频光脉冲空间分布均匀和空间分布为六阶超高斯,时间分布均为高斯(脉宽1ns),入射功率密度范围为0～10GW/cm2时的三倍频效率曲线,对ICF三倍频实验具有很重要的参考价值。