專利名稱：基于多組分變摻雜層狀晶體的飛秒激光倍頻器的制作方法
技術領域：
本發明屬激光倍頻技術領域，具體涉及一種基于多化學組分變摻雜的層狀非線性光學晶體的超寬帶飛秒激光倍頻器。
背景技術：
超寬帶的飛秒脈沖在強場物理，激光核聚變，超快測量等多方面都有著廣泛的應用。以鈦寶石激光為典型載體的飛秒技術日趨成熟，以及其商品化器件的出現，極大地推動了超快技術本身的發展。倍頻技術作為一種有效的頻率轉換技術在飛秒光領域有著重要的應用。但是對于一般的倍頻晶體來說，超寬帶的飛秒光中遠離中心頻率頻譜成分，會因為位相失配過大而得不到有效倍頻，頻譜的損失意味著飛秒光時間域上的展寬以及總效率的降低，因此需要發展寬帶倍頻技術。
最簡單的寬帶倍頻技術是使用薄的倍頻晶體，以減小頻譜邊緣成分的位相失配量，增大倍頻帶寬(R.J.Ellingson and C.L Tang，“High-repetition-rate femtosecond pulse generationin the blue，”Opt.Lett.17，343，1992)。要獲得相同的倍頻效率，薄晶體要求的基頻光強要比長晶體高兩三個數量級，但基頻光強會受到晶體的光損傷閾值以及其他高階非線性效應的限制，因此多數時候需要犧牲效率來提高倍頻帶寬。
其他現有的寬帶倍頻技術主要分為兩類(1)通過特殊結構設計使得寬帶基頻光中所有波長都能實現完全位相匹配，例如消色差的位相匹配(APM)(B.A.Richman，S.E.Bisson，R.Trebino，E.Sidick，and A.Jacobson，“Efficient broadband secondharmonic generation by dispersive achromatic nonlinearconversionusing only prisms，”Opt.Lett.23，497，1998)，多片晶體組合技術(M.Brown，“Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystaldesigns，”Opt.Lett.23，1591，1998)等。這一類技術理論上可以對一定波段內任意波長都實現位相匹配，從而達到足夠寬的倍頻帶寬。但是這些技術一般結構復雜，而且對調節精確度要求嚴格，不適合長期穩定使用。
(2)折返點的倍頻技術。位相失配曲線的折返點意味著位相失配對于波長的一階導數為0(即群速度失配GVM＝0)，此時位相失配對波長變得不敏感，可以提高倍頻帶寬。但是受到晶體種類的限制，并不是每個波長的倍頻過程都能找到對應得GVM為0的晶體，摻雜折返點倍頻技術提供了GVM＝0的波長的調節能力。生長晶體時將不同化學組分摻雜，可以改變晶體色散性質，使倍頻中心波長GVM＝0。例如將KDP和KD*P按照一定比例摻雜后可以使得1μm波段倍頻GVM＝0，通過改變摻雜濃度，GVM＝0的波長調諧范圍1.034-1.179μm。(Heyuan Zhu，Tao Wang，Wanguo Zheng，et al.“Efficient second harmonicgeneration of femtosecond laser at 1μm”Optics Express vol.12，no.10；17 May 2004)這一類技術因為結構簡單可靠，有較高的實用性，但是其理論的帶寬極限仍然會受到晶體色散(GVD)的限制。
發明內容
本發明的目的在于提供一種操作簡單、穩定性好、理論帶寬大的新穎飛秒激光倍頻器。
本發明設計的飛秒激光倍頻器，是一種多化學組分、變摻雜的層狀非線性光學倍頻晶體。即沿著一塊晶體的通光方向，化學組分在不同層之間摻雜濃度不同，不同層對應不同波長的位相匹配，從而實現簡單可靠的超寬帶倍頻。結構示意圖如圖1。
通常的倍頻晶體采用多片晶體組合技術，即沿通光方向使用多塊薄晶體，通過相鄰晶體之間的微小的角度差別，來實現對不同頻率成分的倍頻，從而實現超寬帶倍頻。這種系統對于晶體角度的調節精度要求比較高，而且因為晶體都是相互獨立的，在調試好之后重復使用時可靠性比較差，容易受到周圍環境的影響。本發明用一塊晶體里的多層來代替多塊單晶體，由不同層來實現對于不同頻率成分的倍頻，從而提高重復使用時的可靠性。而在晶體生長時改變層間的角度是比較困難的，本發明采用晶體摻雜技術提供了一個可行的手段。由KDP和KD*P摻雜的理論計算圖2可以看出，不同的摻雜濃度對應著不同位相匹配波長。因此通過改變層間的摻雜濃度來代替改變角度，是可以實現相同目的的，即不同層對于不同頻率成分的倍頻。
與上述兩種寬帶倍頻方法比較，本發明的特點與多片晶體組合技術相比較(1)單塊多層晶體代替多塊晶體系統，使器件穩定可靠，操作簡單，克服了多片晶體組合技術的不足。
(2)都具有對基頻光中任意波長都實現位相匹配的特點，倍頻的理論帶寬非常寬。
與單一摻雜折返點倍頻技術比較(1)變摻雜系統具有對基頻光中任意波長都實現位相匹配的特點，其理論帶寬極限不受GVD的限制，遠大于單一摻雜晶體理論帶寬。
(2))同為單塊晶體，簡單可靠。
總之，本發明的特殊晶體繼承了兩種現有技術的優點，既具備很寬的理論帶寬，又簡單可靠具有實用性。
本發明中，所述倍頻晶體，其生長時使用兩種(或多種)不同化學組分摻雜，并且沿通光方向為層狀結構，不同層中摻雜組分的摻雜濃度不同。
本發明中，晶體中的摻雜組分可選擇下述2種化學成分組合之一種磷酸二氫鉀(KDP)/氘化磷酸二氫鉀(KD*P)，磷酸二氫銨(ADP)/氘化磷酸二氫銨(AD*P)，磷酸二氫銣(RDP)/氘化磷酸二氫銣(RD*P)，磷酸二氫鉀(KDP)/砷酸二氫鉀(KDA)等。
本發明中，晶體的不同層次中的摻雜組分的摻雜濃度可選擇如下函數進行變化線性函數，階梯形函數，二次函數，指數函數，對數函數，高斯函數。一般濃度的變化范圍為3-25個百分點。這里的摻雜濃度是指兩種摻雜組分中，前面一個組分在晶體中的質量百分比。
本發明中，晶體長度一般為0.1-4cm，各單層厚度一般可為0.1-1.5mm。
本發明設計的飛秒激光倍頻器，其工作波長范圍可以涵蓋200nm至4μm的寬波段。
對于基頻光中某一個特定的波長，理論上在多層晶體中只有一層對其實現完全的位相匹配，其相鄰層會有微小的位相失配，并且隨著與位相匹配層的距離增大其位相失配變大，較遠的層對于該波長的倍頻過程甚至沒有影響。也就是說對于某一波長只有相應的一段晶體起到了倍頻作用。所以對晶體結構的優化設計是必須的，既要保證足夠倍頻帶寬，又要盡量增大各波長起到倍頻作用的有效晶體長度。
優化的自由度包括晶體長度，摻雜濃度的范圍，晶體的層數，以及摻雜濃度在層與層之間的變化函數。
(1)晶體長度，因為其位相匹配與波長無關，所以理論上越長的晶體長度就意味著越大的允許帶寬和非線性作用，即晶體長度應該盡量長。只是晶體長度受到晶體生長技術和成本的限制，所以要根據實際應用設計。一般較常用的晶體長度在1cm-4cm之間。與之相比較，單一摻雜的晶體因GVD的作用，晶體長度要受限于需要的倍頻帶寬。
(2)摻雜濃度。不同的摻雜濃度對應不同的光譜成分，應該根據實際需要帶寬的大小來確定摻雜濃度范圍。在晶體長度一定的情況下，摻雜濃度變化范圍越大，對應于每個波長起倍頻作用的有效晶體長度就越短，對泵浦光強的要求就越高。因此摻雜濃度范圍取決于實際的光譜寬度，不可過大。本發明根據實際應用的需要，摻雜濃度的變化范圍設置不是很大，一般為3-25個百分點(例如摻雜濃度在60％-80％范圍變化時，變化范圍為20個百分點)，例如對于10fs(光譜半高帶寬160nm)基頻光，需要變化范圍為18-25個百分點；而對于40fs(光譜半高帶寬40nm)基頻光，需要變化范圍為3-6個百分點等等。
(3)晶體層數。層數太少意味著整個晶體只對各層的幾個中心波長的倍頻的效果最好，會產生光譜的變形。最極端的效果就是單層晶體，即單一比例摻雜的情況，只對中心波長倍頻效果最好，達不到超寬帶倍頻的需要。因此層數要多一些，最好是使摻雜量接近連續變化，但是生長晶體的技術和成本也使得層數不可能無限多，具體層數的精度受限于實際的技術。一般情況下單層厚度在mm量級，即一塊晶體中大約有幾十層。目前，其單層厚度為0.1-1.5mm。隨著技術的改進，單層厚度可以做到更小。
(4)摻雜濃度的變化函數是另一個調節自由度。對不同的基頻光光譜形狀可使用不同的摻雜濃度函數。例如需要倍頻過程各頻率成分增益相近，一般可選擇使用線性函數或者階梯函數；為了使得中心波長倍頻效果得到加強，可以使用高斯函數、二次函數或指數函數，其中函數的平坦部分對應中心波長位相匹配的位置；為了得到平坦的倍頻光譜，可以采用高斯函數，但是函數中平坦部分對應邊緣波長位相匹配的位置，邊緣頻率成分有效倍頻作用距離較長，使得倍頻光譜趨于平坦。總之，通過改變摻雜函數，可以使得對某些波長倍頻效果增強，某些波長倍頻效果減弱，從而改變倍頻光的光譜形狀，達到對倍頻光譜整形的目的。
本發明的優越性在于(1)對任意波長都實現位相匹配，可以支持超寬帶飛秒光的倍頻。
(2)單塊晶體簡單可靠，使用方便，具有良好的實用性。
(3)解決了晶體長度對帶寬的限制，使得長的晶體得以應用，從而減小了對泵浦光強度的要求。
(4)通過改變摻雜濃度的變化函數，能夠實現對光譜的整形。
圖1本發明基于化學組分變摻雜的非線性光學晶體的結構示意圖(兩種成分線性比例摻雜)。其中，A入射寬帶基頻光，B變摻雜量的層狀倍頻晶體，C出射寬帶倍頻光，L晶體長度，X(z)摻雜量在在不同層間的變化函數。
圖2對于KDP和KD*P摻雜晶體，不同摻雜濃度情況下，位相失配量隨波長的變化的理論計算圖，晶體切割角度為41度。定義晶體摻雜濃度x為KDP在晶體中物質的量百分比。實線、劃線和點線分別代表摻雜濃度x的值為80％，88％，75％的情況。
圖3對于ADP和AD*P摻雜晶體，不同摻雜濃度情況下，位相失配量隨波長的變化的理論計算圖，晶體切割角度為40.6度。定義晶體摻雜濃度x1為ADP在晶體中物質的量百分比。實線和劃線分別代表摻雜濃度x1的值為69％，62％的情況。
具體實施例方式
實施例1
設計KDP和KD*P摻雜晶體實現1054nm附近的寬帶倍頻。
(1)基頻脈沖形狀高斯型，中心波長1054nm，脈寬20fs，其對應光譜半高寬為80nm。我們設計KDP和KD*P摻雜的多層晶體來實現其寬帶倍頻。考慮到技術因素及成本，設計晶體長度為20mm，層數為20層，切割角為41度。為了達到對各個頻率成分的有效倍頻，我們希望位相匹配波長涵蓋基頻光半寬2倍的光譜范圍，即0.974um-1.134um。從圖2我們可以看出，需要選擇摻雜濃度x在晶體中的變化范圍為80％-88％。層間摻雜濃度變化函數采用線性函數。通過這些優化設計，實現了對于1054nm附近超寬帶飛秒光的簡單可靠的倍頻。
(2)基頻脈沖形狀為高斯型，中心波長1054nm，但脈寬變為40fs，其對應光譜半高寬為40nm。通過和實施例1第一部分相似的計算，設計晶體長度20mm，層數為20層，切割角41度，x在晶體中的變化范圍為84％-88％，依然采用線性變化函數。與實施例1第一部分相比，由于x的變化范圍減小，使得各個頻率成分有效倍頻長度變大，相同基頻光強下得到的倍頻效率增大。
(3)基頻脈沖形狀為高斯型，中心波長1054nm，脈寬40fs，對應光譜半高寬40nm。為了得到平坦的倍頻光譜輸出，摻雜濃度x的變化函數采用高斯函數，但函數中平坦部分對應邊緣頻率成分位相匹配位置。依舊使用晶體長度20mm，層數為20層，切割角41度，x在晶體中的變化范圍為84％-88％。得到了平坦的倍頻光譜，但同基頻光強下倍頻效率比前面兩種情況要低。
實施例2設計其他摻雜晶體實現1054nm附近的寬帶倍頻。
(1)ADP和AD*P摻雜的情況，基頻脈沖形狀為高斯型，中心波長1054nm，脈寬20fs，對應光譜半高寬80nm。與實施例1第一部分相比較，設計晶體長度為20mm，層數為20層，切割角為40.6度。如圖3，選擇摻雜濃度x1在晶體中的變化范圍為62％-69％。層間摻雜濃度變化函數采用線性函數。同樣可以達到寬帶倍頻的效果。
(2)同實施例2第一部分相同的基頻脈沖條件下，要達到寬帶倍頻目的，若使用KDA/KDP摻雜晶體，設計晶體長度為20mm，層數為20層，切割角為41.1度，KDP在晶體中物質的量百分比的變化范圍為82％-90％；若使用RDP/RD*P摻雜晶體，設計晶體長度為20mm，層數為20層，切割角為41.3度，RDP在晶體中物質的量百分比的變化范圍為91％-98％。均可達到寬帶倍頻的效果。
權利要求
1.一種基于多組分、變摻雜層狀晶體飛秒激光倍頻器，包括一個相關特殊設計的非線性光學晶體，其特征在于該光學晶體生長時是使用兩種或多種化學組分摻雜而成；并且沿通光方向具有層狀結構，不同層間兩種或多種組分的摻雜濃度不同。
2.根據權利要求1所述的飛秒激光倍頻器，其特征在于所述的摻雜組分采用下述化學成份組合之一種磷酸二氫鉀/氘化磷酸二氫鉀，磷酸二氫銨/氘化磷酸二氫銨，磷酸二氫銣/氘化磷酸二氫銣，磷酸二氫鉀/砷酸二氫鉀。
3.根據權利要求1所述的飛秒激光倍頻器，其特征在于晶體中不同層間兩種成分摻雜濃度隨晶體位置的變化而變化，其變化關系的函數為如下之一種線性函數，階梯形函數，二次函數，指數函數，對數函數，高斯函數。
4.根據權利要求1所述的飛秒激光倍頻器，其特征在于所述晶體長度為0.1-4cm，各單層厚度為0.1-1.5mm。
5根據權利要求1所述的飛秒激光倍頻器，其特征在于工作波長范圍涵蓋200nm至4μm的寬波段。
全文摘要
本發明涉及一種激光倍頻器件，具體為一種基于多化學組分、變摻雜的多層非線性光學晶體的飛秒激光倍頻器。本發明包括一種特殊設計的變摻雜的層狀非線性光學倍頻晶體，沿著通光方向，不同層之間各種化學組分的摻雜濃度不同。本發明的目的是利用這樣一種特殊設計的非線性光學晶體，實現超寬帶飛秒激光的倍頻。這種倍頻器具有使用簡便，可靠，倍頻允許帶寬特別寬的特性，可廣泛應用于飛秒脈沖的倍頻。
文檔編號H01S3/109GK1801552SQ200610023259
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月12日 優先權日2006年1月12日
發明者錢列加, 袁鵬, 羅航, 朱鶴元, 范滇元 申請人:復旦大學