專利名稱：光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能實現輸入輸出光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或
轉換系統，該系統不但能實現輸入信號帶寬內所有頻率成分的幾乎相同增益的參量放大或轉換，而且還可以根據需要調節各泵浦脈沖的強度與位置，改變所述參量放大或轉換系統的光譜響應曲線或輸出脈沖的帶寬與光譜特性，屬于非線性強激光領域。
背景技術：
寬帶超短激光脈沖的參量放大(或參量變換)不同于窄帶激光，由于非線性晶體都不可避免地存在色散效應，即不同頻率的光在晶體中的相速度和群速度是不一樣的。對于各向異性的非線性晶體，可以利用晶體的雙折射效應來補償由色散效應引起的相速度差異，實現相位匹配，即雙折射相位匹配技術(BPM)。同樣，也可利用晶體的雙折射效應實現群速匹配(GVM)。然而，一般情況下，對于大部分各向異性的非線性晶體來說，這兩個匹配是無法同時滿足的，因為滿足BPM和GVM的兩個匹配方向一般不重合。對于各向同性的非線性晶體，可以利用晶體的正、反常色散來實現相位匹配(PM)和群速匹配的。然而，這兩個匹配也是無法同時滿足的，因為滿足PM和GVM所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一樣的。目前，針對寬帶參量放大(或參量變換)的相位與群速匹配問題的解決方案主要包括非共線相位匹配、波前傾斜群速匹配、簡并點相位匹配、多角度泵浦相位匹配和時域延遲雙脈沖泵浦啁啾匹配等。 這些方案都各有優缺點，非共線相位匹配和波前傾斜群速匹配光路結構簡單，但帶寬有限，簡并點相位匹配法不但光路結構簡單，而且可獲得較大的帶寬，但不同的晶體只能應用在特定的頻率上，而多角度泵浦相位匹配和時域延遲雙脈沖泵浦啁啾匹配雖然可以得到最大的帶寬，但其結構復雜，且多角度泵浦相位匹配由于多個光束同時相交在同一位置，其輸入功率密度受到限制。
發明內容
為提高激光脈沖參量放大(或參量變換)的帶寬，本發明目的旨在提供一種結構簡單、調校方便、晶體選擇靈活的光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或轉換系統，不但能實現輸入信號帶寬內所有頻率成分的幾乎相同增益的參量放大，而且還可以根據需要調節輸出帶寬和響應曲線。 為實現上述發明目的，本發明采取的基礎技術方案是，一種光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，包括空間頻率啁啾變換裝置、分束、衰減與光學延遲裝置及依次布置于空間頻率啁啾變換裝置光軸線上的部分反射鏡、聚焦柱面透鏡、扇形周期性極化晶體、濾波裝置和準直柱面透鏡，其中分束、衰減與光學延遲裝置的輸出泵浦脈沖呈45°入射至部分反射鏡，且所述部分反射鏡和濾波裝置的安裝方向與空間頻率啁啾變換裝置輸出光軸呈45。夾角。
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作為具體實施例，所述泵浦脈沖分束、衰減與延遲裝置可由部分反射鏡、衰減器、光學延遲線和反射鏡組成，輸入泵浦脈沖經光學延遲線后，入射到部分反射鏡，部分反射鏡反射光部分經可調衰減器后輸出一束泵浦脈沖，部分反射鏡透射光部分經反射鏡反射后入射到另一個可調衰減器后，也輸出一束泵浦脈沖。部分反射鏡的分光比例可通過選擇不同部分反射鏡來實現。相應增加部分反射鏡等可以獲得更多束激光泵浦脈沖，泵浦脈沖分束、衰減與延遲裝置中部分反射鏡將泵浦激光脈沖按一定比例分成2束或多束激光光束后入射到扇形周期性極化晶體的不同位置；其中衰減器用于調節各泵浦激光脈沖的強度；光學延遲線用于調節泵浦激光脈沖與寬帶激光脈沖的時間同步以及分束后各泵浦激光脈沖之間的時間關系。 所述空間頻率啁啾變換裝置可由傾斜平板玻璃、棱鏡對、光柵、棱柵、體光柵等構成，將寬帶激光脈沖變換成寬度可調的空間頻率啁啾脈沖，且所述空間頻率啁啾脈沖的所有頻率成分分布在橫向空間某一軸上的不同位置，相互平行。 所述部分反射鏡，具有透射與反射功能，將45度角輸入的泵浦脈沖反射到聚焦柱面透鏡，同時將輸入寬帶激光脈沖直接透射到聚焦柱面透鏡。 所述聚焦柱面透鏡，將輸入的各個寬帶激光脈沖聚焦到扇形周期性極化晶體軸上適當位置。 所述扇形周期性極化晶體，能滿足不同頻率成分準相位匹配的極化周期在橫向某一軸上的變化與空間頻率啁啾脈沖的頻率變化成對應關系，當上述脈沖入射后，在空間頻率啁啾方向上對扇形周期性極化晶體進行上下調節，使空間頻率啁啾脈沖的所有頻率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射。空間頻率啁啾脈沖既可以垂直扇形周期性極化晶體的端面入射，也可以適當角度傾斜入射。 所述濾波裝置可采用分色鏡或濾波片，將扇形周期性極化晶體變換后輸出的不同
波段激光脈沖分離，輸出所需要波段的激光脈沖。 所述準直柱面透鏡，將分色鏡輸出的激光脈沖準直后輸出； 根據實施例的優選方案是，所述空間頻率啁啾變換裝置具體由一衍射光柵和一凸透鏡組成的光柵透鏡組構成，其中凸透鏡的焦點在激光脈沖入射的中心位置，光軸與衍射光柵對寬帶激光脈沖一級衍射的中心頻率衍射方向一致。當激光脈沖的寬帶較大時，所述凸透鏡和聚焦柱面透鏡采用消色差透鏡。 所述泵浦脈沖可以窄帶激光脈沖也可以是寬帶激光脈沖。為了對不同頻率成分進
行空間幅度與相位調控，以實現更復雜的輸入輸出響應曲線，基于上述基本結構基礎，可在
扇形周期性極化晶體前側或后側增加幅度空間光調制器或相位空間光調制器。 本發明的設計原理是利用泵浦激光脈沖與寬帶脈沖不同的頻率成分通過周期性
極化晶體的不同位置同時實現準相位匹配(QPM)，即利用光柵或棱鏡等色散元件作為空間
頻率啁啾變換裝置將寬帶脈沖中不同的頻率成分在空間上相互的分開，變成不同的頻率成
分光路相互平行的空間頻率啁啾脈沖，改變脈沖入射角度、光學元件參數(如光柵或棱鏡
的參數)及它們之間的距離，可以使得不同的頻率成分平行入射到扇形周期性極化晶體橫
向某一軸上的不同位置，與泵浦激光脈沖實現空間重疊與時間同步，在不同的路徑實現準
相位匹配(QPM)，使不同的頻率成分在在晶體的不同位置實現幾乎相同增益的參量放大或
非線性頻率變換，同時，也可根據需要靈活調節各泵浦脈沖光束的強度與位置，改變本參量
4放大或轉換系統的光譜響應曲線或輸出脈沖的帶寬與光譜特性。 本發明所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或轉換系統包括以下三 個主要部分 —個是寬帶脈沖空間頻率啁啾變換裝置，凡是能將寬帶激光脈沖變換成寬度可調 的空間頻率啁啾脈沖的裝置都可以，通常由傾斜平板玻璃、棱鏡對、光柵、棱柵、體光柵等構 成，輸入的寬帶激光脈沖經空間頻率啁啾變換裝置變換成寬度可調的空間頻率啁啾脈沖；
—個是由部分反射鏡、衰減器與光學延遲線構成的泵浦激光脈沖分光、衰減與延 遲調節裝置，輸入的泵浦激光脈沖經分束、衰減與延遲裝置變換為2束或多束光強、位置和 延遲均可調節的激光脈沖； —個是放置在寬帶脈沖空間頻率啁啾變換裝置的輸出光路上的扇形周期性極化 晶體(或其他具有類似特點的非線性光學晶體)。泵浦激光脈沖與空間頻率啁啾脈沖同步 入射到扇形周期性極化晶體，在晶體的不同路徑實現最佳相位匹配，實現參量放大或參量 變換。 寬帶脈沖空間頻率啁啾變換裝置輸出的空間頻率啁啾脈沖和泵浦脈沖分光、衰減 與延遲調節裝置輸出的泵浦脈沖同時入射到扇形周期性極化晶體的端面上，泵浦脈沖入射 位置可以根據需要通過調節分光、衰減與延遲調節裝置的光路任意調節，使不同的泵浦脈 沖光束與啁啾脈沖的不同頻率成分在不同位置重疊，而空間頻率啁啾脈沖中心頻率的位置 也是可以調節的，從而使寬帶脈沖的不同光譜成分與不同的泵浦激光脈沖光束在不同位置 都能實現最佳相位匹配，最終使寬帶脈沖所有的光譜成分在各自的不同的路徑與不同的泵 浦激光脈沖光束相互作用，實現高效的寬帶參量放大或參量變換，調節各泵浦脈沖光束的 強度與位置，就可以方便靈活地改變參量放大或參量變換系統的頻率響應曲線或輸出脈沖 的帶寬與光譜特性。所有的入射激光脈沖既可以垂直入射到扇形周期性極化晶體中，也可 以適當的角度傾斜入射。變換后由分色鏡取出所需頻段激光脈沖并由準直柱面透鏡準直后 輸出。 本發明所述泵浦脈沖可以窄帶激光脈沖也可以是寬帶激光脈沖，并且在上述基本
結構基礎上，可根據需要，在扇形周期性極化晶體前后增加幅度空間光調制器、相位空間光
調制器等對不同頻率成分進行空間幅度與相位調控，以實現更復雜的輸入輸出響應曲線。 本發明所述寬帶激光脈沖參量放大或轉換系統不但能實現輸入信號帶寬內所有
頻率成分幾乎相同增益的參量放大，而且還可以根據需要調節響應曲線或輸出帶寬和光譜
特性。通過選用不同的周期性極化晶體參數，該光路系統同樣適用于和頻、差頻等光學參量
過程，且具有設計簡單、調校方便、晶體選擇靈活等特點。
圖1為本發明的系統示意圖； 圖2為實施例中光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或轉換系統示意圖； 圖3為圖2中扇形周期性極化晶體的三維結構示意圖。 在附圖中 1-空間頻率啁啾變換裝置2-分束、衰減與延遲調節裝置 3-部分反射鏡4-聚焦柱面透鏡5-扇形周期性極化晶體
6-濾波裝置7-準直柱面透鏡8-衍射光柵9-凸透鏡
10-光學延遲線11-反射鏡12-部分反射鏡13-衰減器
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明做進一步描述 如圖l，本實施例提供了一種光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或轉換 系統，包括空間頻率啁啾變換裝置1(可以由傾斜平板玻璃、棱鏡對、棱柵對、體光柵對或光 柵透鏡組等構成)、分束、衰減與光學延遲裝置2(可由部分反射鏡、衰減器和光線延遲線等 組成)、部分反射鏡3、聚焦柱面透鏡4、扇形周期性極化晶體5 (如圖3所示)、濾波裝置6和 準直柱面透鏡7。寬帶脈沖空間頻率啁啾變換裝置1輸出的空間頻率啁啾脈沖和泵浦脈沖 分束、衰減與延遲調節裝置2輸出的泵浦脈沖經部分反射鏡3和聚焦柱面透鏡4同時入射 到扇形周期性極化晶體5的端面上，泵浦脈沖入射位置可以根據需要通過調節分光、衰減 與延遲調節裝置的光路任意調節，使不同的泵浦脈沖光束與啁啾脈沖的不同頻率成分在不 同位置重疊，而空間頻率啁啾脈沖中心頻率的位置也是可以調節的，從而使寬帶脈沖的不 同光譜成分與不同的泵浦激光脈沖光束在不同位置都能實現最佳相位匹配，最終使寬帶脈 沖所有的光譜成分在各自的不同的路徑與不同的泵浦激光脈沖光束相互作用，實現高效的 寬帶參量放大或非線性頻率變換，調節各泵浦脈沖光束的強度與位置，就可以方便靈活地 改變該參量放大或轉換系統的頻率響應曲線或輸出脈沖的帶寬與光譜特性。所有入射的激 光脈沖既可以垂直入射到扇形周期性極化晶體(圖中5)中，也可以適當的角度傾斜入射。 變換后由分色鏡6取出所需頻段激光脈沖并由準直柱面透鏡7準直后輸出。
如圖2所示，其中空間頻率啁啾變換裝置1是由一衍射光柵8和一凸透鏡9組成的 光柵透鏡組構成。凸透鏡9的焦點在激光脈沖入射的中心位置，光軸與衍射光柵對激光脈 沖一級衍射的中心頻率衍射方向一致，如果激光脈沖的寬帶較大最好使用消色差凸透鏡。 寬帶激光脈沖以一定的角度入射到衍射光柵8上，由于光柵的色散作用，脈沖中不同頻率 成分的衍射角不一樣，產生光譜角色散，經過凸透鏡9后變成各頻率成分相互平行輸出的 空間頻率啁啾脈沖，其作為空間啁啾輸入脈沖經部分反射鏡3和聚焦柱面透鏡4聚焦后，入 射到扇形周期性極化晶體5端面的不同位置。 本實施例的扇形周期性極化晶體5如圖3所示，其中心路徑的極化周期是根據寬 帶激光脈沖和泵浦脈沖的中心頻率按最佳相位匹配設計的，晶體極化周期的扇出角也是根 據激光脈沖的帶寬確定，具體參照周期性極化晶體的設計方法進行，由于其設計方法為現 有技術，不在本發明范圍，在此不詳細說明。在空間頻率啁啾方向上上下調節扇形周期性極 化晶體5，使入射脈沖中心頻率的頻率成分從最佳相位匹配位置進入，實現中心頻率最高效 率的諧波轉換，然后，改變衍射光柵8的光柵常數和激光脈沖的入射角或者改變凸透鏡9的 焦距，可調節頻率啁啾脈沖的空間寬度，使其他頻率成分也以最佳相位匹配位置進入扇形 周期性極化晶體5 ;泵浦脈沖經光學延遲線10、反射鏡11、部分反射鏡12和衰減器后，獲得 光強、位置和延遲均可調節的2束泵浦脈沖光束，同樣經部分反射鏡3和聚焦柱面透鏡4聚 焦后入射到扇形周期性極化晶體5，調節各泵浦光束的光軸位置，使它們分別與不同的寬帶 脈沖的光譜成分重疊，使寬帶脈沖所有的光譜成分在各自的不同的路徑與不同的泵浦激光 脈沖光束在扇形周期性極化晶體5中相互作用，實現高效的寬帶參量放大或非線性頻率變換，調節各泵浦脈沖光束的強度與位置，就可以方便靈活地改變本參量放大或轉換系統的
頻率響應曲線或輸出脈沖的帶寬與光譜特性。所有入射的激光脈沖既可以垂直入射到扇形
周期性極化晶體中，也可以適當的角度傾斜入射，具體角度可根據測量情況進行調整。變換
后由分色鏡6取出所需頻段激光脈沖并由準直柱面透鏡7準直后輸出。 上述實施例并非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的基本
精神與范圍內，所作的各種變化與修改，應都在本發明的保護范圍。
權利要求
一種光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是包括輸入寬帶激光脈沖的空間頻率啁啾變換裝置(1)、輸入泵浦脈沖的分束、衰減與光學延遲裝置(2)及依次布置的空間頻率啁啾變換裝置(1)光軸線上的部分反射鏡(3)、聚焦柱面透鏡(4)、扇形周期性極化晶體(5)、濾波裝置(6)和準直柱面透鏡(7)，其中分束、衰減與光學延遲裝置(2)的輸出泵浦脈沖呈45°入射至部分反射鏡，且所述部分反射鏡(3)和濾波裝置(6)的安裝方向與空間頻率啁啾變換裝置(1)的輸出光軸呈45°夾角。
2. 根據權利要求1所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，所述泵浦脈沖分束、衰減與延遲裝置(2)由部分反射鏡(12)、衰減器(13)、光學延遲線(10)和反射鏡(11)組成，輸入泵浦脈沖經光學延遲線(10)后，呈45°入射到部分反射鏡(12)，部分反射鏡(12)輸出的反射光部分經衰減器(13)后輸出一束泵浦脈沖，部分反射鏡(12)輸出的透射光部分呈45。入射至反射鏡(ll)，該透射光部分經反射鏡(11)反射后，再入射到另一衰減器(13)后輸出一束泵浦脈沖。
3. 根據權利要求1所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，所述空間頻率啁啾變換裝置(1)由一衍射光柵(8)和一凸透鏡(9)組成的光柵透鏡組構成，其中凸透鏡(9)的焦點在寬帶激光脈沖入射的中心位置，凸透鏡(9)的光軸與衍射光柵(8)對寬帶激光脈沖一級衍射的中心頻率衍射方向一致。
4. 根據權利要求3所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，當寬帶激光脈沖的寬帶較大時，所述凸透鏡(9)和聚焦柱面透鏡(4)采用消色差透鏡。
5. 根據權利要求l-4之一所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，所述濾波裝置(6)可采用分色鏡或濾波片。
6. 根據權利要求l-4之一所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，所述泵浦脈沖是窄帶激光脈沖或寬帶激光脈沖。
7. 根據權利要求l-4之一所述光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或參量轉換系統，其特征是，在扇形周期性極化晶體(5)的前側或后側增加幅度空間光調制器或相位空間光調制器。
全文摘要
本發明涉及光譜響應曲線可調的寬帶激光脈沖參量放大或轉換系統，屬于非線性強激光領域，其包括空間頻率啁啾變換裝置、分束、衰減與光學延遲裝置及依次布置于光軸線上的部分反射鏡、聚焦柱面透鏡、扇形周期性極化晶體、濾波裝置和準直柱面透鏡，其中分束、衰減與光學延遲裝置的輸出泵浦脈沖呈45°入射至部分反射鏡，且所述部分反射鏡和濾波裝置的安裝方向與空間頻率啁啾變換裝置輸出光軸呈45°夾角。本發明所述系統不但能實現輸入信號帶寬內所有頻率成分的幾乎相同增益的參量放大或轉換，而且還可以根據需要調節各泵浦脈沖的強度與位置，改變頻率響應曲線或輸出脈沖的帶寬與光譜特性。該系統具有裝置簡單、調校方便、晶體選擇靈活等特點。
文檔編號H01S3/23GK101771237SQ20101030036
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者文雙春, 陳列尊 申請人:湖南大學