一種改善超短激光倍頻能量穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于改善超短激光倍頻能量穩(wěn)定性的方法，特別涉及改善超短激 光三倍頻能量穩(wěn)定性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常認(rèn)為，由于超短激光的三倍頻是一個(gè)三階非線性過(guò)程，所以三倍頻輸出的能 量抖動(dòng)接近基頻激光抖動(dòng)的三倍。一般基于多通放大器的激光系統(tǒng)輸出的基頻光能達(dá)到2% 的均方根能量穩(wěn)定性，根據(jù)通常的理解，所產(chǎn)生的三倍頻光的能量穩(wěn)定性將惡化為基頻光 能量抖動(dòng)的三倍，這給光陰極注入器等對(duì)超短紫外激光能量穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用帶來(lái)極大 限制，例如，Linac Coherent Light Source (LCLS)要求驅(qū)動(dòng)光陰極的紫外光的能量抖動(dòng) 小于2% rms，F(xiàn)ER-MI系統(tǒng)紫外光的能量抖動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)是小于3% rms?；趥鹘y(tǒng)的理解，如 果要獲得2%的紫外光能量抖動(dòng)，那么紅外光的能量抖動(dòng)要求小于0. 7%，這對(duì)激光系統(tǒng)是一 個(gè)非常高的要求，需要采取一系列復(fù)雜的主動(dòng)控制手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠改善超短激光三 倍頻能量穩(wěn)定性的被動(dòng)方法。
[0004] 關(guān)于改善超短激光三倍頻能量穩(wěn)定性的方法，可以分為主動(dòng)方法和被動(dòng)方法。具 體地說(shuō)，主動(dòng)的穩(wěn)定性做法是，在紫外光產(chǎn)生之后，結(jié)合起偏器和二分之一波片，通過(guò)測(cè)量 紫外光的脈沖能量，計(jì)算平均能量，然后，通過(guò)測(cè)到的上一個(gè)脈沖的能量與上述平均能量的 差值，換算成維持脈沖能量穩(wěn)定時(shí)二分之一波片應(yīng)該轉(zhuǎn)過(guò)的角度，通過(guò)電信號(hào)去反饋調(diào)節(jié) 二分之一波片轉(zhuǎn)過(guò)該角度，從而達(dá)到三倍頻能量穩(wěn)定性提高的目的。相對(duì)與此，在本發(fā)明中 提供了一種被動(dòng)方法，它與上述的主動(dòng)方法有本質(zhì)不同，不僅簡(jiǎn)單有效，而且能夠顯著提高 三倍頻脈沖能量穩(wěn)定性，更重要的是，本發(fā)明中的被動(dòng)方法還能同時(shí)顯著提高三倍頻光的 橫向分布和縱向分布的平滑性。
[0005] 本發(fā)明提供一種用于改善超短激光三倍頻能量穩(wěn)定性的方法，其特征在于，具有 如下步驟： (a) 獲得三倍頻轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于基頻光的光強(qiáng)度的曲線； (b) 根據(jù)所述曲線的下降部，獲得與所述下降部對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度范圍； (c) 調(diào)整基頻光的基本參數(shù)，使基頻光的光強(qiáng)度處于所述光強(qiáng)度范圍內(nèi)。
[0006] 此外，在本發(fā)明的方法中，所述步驟（a)包括如下步驟：（al)選擇所使用的激光器 并確定所述激光器輸出的基頻光的基本參數(shù)，并且，選擇所使用的三倍頻晶體；（a2)針對(duì) 激光系統(tǒng)的基本參數(shù)和所述三倍頻晶體，計(jì)算不同光強(qiáng)度下的三倍頻轉(zhuǎn)換效率曲線，并且 計(jì)算對(duì)應(yīng)的不同光強(qiáng)度下三倍頻能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比，從而確定理論上光強(qiáng)最 優(yōu)工作點(diǎn)，即，使抖動(dòng)最小的工作點(diǎn)；（a3)對(duì)于所述激光器，將所述光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)作為參 照，在所述光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)附近以從低到高的方式調(diào)整所述基頻光的能量，測(cè)量相應(yīng)的三 倍頻轉(zhuǎn)換效率，由此，獲得三倍頻轉(zhuǎn)換效率隨光強(qiáng)度的先上升后下降的曲線。
[0007] 此外，在本發(fā)明的方法中，在所述步驟（C)中進(jìn)而根據(jù)需要使基頻光的光強(qiáng)度為所 述曲線的所述下降部上的某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度。
[0008] 此外，在本發(fā)明的方法中，在所述步驟（a2)中是利用耦合波方程得到不同光強(qiáng)度 下的三倍頻轉(zhuǎn)換效率曲線的。
[0009] 此外，在本發(fā)明的方法中，在所述步驟（C )中，通過(guò)改變基頻光的光束口徑、基頻光 的脈沖寬度、基頻光的脈沖能量這三者中的至少一個(gè)來(lái)調(diào)整基頻光的基本參數(shù)。
[0010] 此外，在本發(fā)明的方法中，所述三倍頻光是紫外光。
[0011] 此外，在本發(fā)明的方法中，所述基頻光是超短紅外光。
[0012] 此外，本發(fā)明提供一種用于改善超短激光倍頻能量穩(wěn)定性的方法，其特征在于，具 有如下步驟： (a) 獲得倍頻轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于基頻光的光強(qiáng)度的曲線； (b) 根據(jù)所述曲線的下降部，獲得與所述下降部對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度范圍； (c) 調(diào)整基頻光的基本參數(shù)，使基頻光的光強(qiáng)度處于所述光強(qiáng)度范圍內(nèi)。
[0013] 此外，在本發(fā)明的方法中，所述步驟（a)包括如下步驟：（al)選擇所使用的激光器 并確定所述激光器輸出的基頻光的基本參數(shù)，并且，選擇所使用的倍頻晶體；（a2)針對(duì)激 光系統(tǒng)的基本參數(shù)，計(jì)算不同光強(qiáng)度下的倍頻轉(zhuǎn)換效率曲線，并且計(jì)算對(duì)應(yīng)的不同光強(qiáng)度 下倍頻能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比，從而確定理論上光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)，即，使抖動(dòng)最小 的工作點(diǎn)；（a3)對(duì)于所述激光器，將所述光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)作為參照，在所述光強(qiáng)最優(yōu)工作 點(diǎn)附近以從低到高的方式調(diào)整所述基頻光的能量，測(cè)量相應(yīng)的倍頻轉(zhuǎn)換效率，由此，獲得倍 頻轉(zhuǎn)換效率隨光強(qiáng)度的先上升后下降的曲線。
[0014] 此外，在本發(fā)明的方法中，在所述步驟（c)中進(jìn)而根據(jù)需要使基頻光的光強(qiáng)度為所 述曲線的所述下降部上的某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度。
[0015] 此外，在本發(fā)明的方法中，在所述步驟（c)中，通過(guò)改變基頻光的光束口徑、基頻光 的脈沖寬度、基頻光的脈沖能量這三者中的至少一個(gè)來(lái)調(diào)整基頻光的基本參數(shù)。
[0016] 如上所述，在本發(fā)明中提出了一種優(yōu)化超短激光脈沖三倍頻光脈沖能量穩(wěn)定性的 被動(dòng)穩(wěn)定方法，在該方法中，通過(guò)選擇基頻激光參數(shù)(脈沖能量、脈沖寬度、光束口徑）和晶 體參數(shù)，使三倍頻過(guò)程工作在三倍頻效率曲線（以激光強(qiáng)度為橫軸）的下降段的合適位置， 從而顯著改善了三倍頻光的能量穩(wěn)定性，這種被動(dòng)的穩(wěn)定性方法突破了傳統(tǒng)的三倍頻光能 量抖動(dòng)是基頻光能量抖動(dòng)約三倍的限制，使三倍頻光的能量穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基頻光。
[0017] 特別是，本發(fā)明的方法在需要高能量穩(wěn)定性紫外光的相關(guān)領(lǐng)域，例如產(chǎn)生高亮度 電子束的光陰極微波電子槍以及其他重頻三倍頻產(chǎn)生中都具有重要意義。
[0018] 此外，根據(jù)本發(fā)明，能夠獲得比基頻光能量更加穩(wěn)定的三倍頻光，突破了傳統(tǒng)方 法，為產(chǎn)生超能量穩(wěn)定的紫外光提供了一種簡(jiǎn)單易行的方法，并且，基于相同原理，與基頻 光相比，本發(fā)明的方法同時(shí)使三倍頻激光的縱向和橫向分布更加平滑。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明中的利用倍頻晶體產(chǎn)生三倍頻激光的裝置的示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明中的三倍頻轉(zhuǎn)換效率和基頻光能量的關(guān)系的一例的圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明中的理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量基頻光和三倍頻光的能量抖動(dòng)與基頻光 能量的關(guān)系的一例的圖。
[0022] 圖4 (a)是示出本發(fā)明的實(shí)施例中的不同光強(qiáng)度下的三倍頻轉(zhuǎn)換效率曲線的圖， 圖4 (b)是本發(fā)明的實(shí)施例中的三倍頻光能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比和光強(qiáng)度的關(guān)系 曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下，根據(jù)附圖詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0024] 首先，作為本發(fā)明的基礎(chǔ)，根據(jù)需要來(lái)選擇所使用的激光器，明確該激光器所輸出 的基頻光的基本參數(shù)，例如中心波長(zhǎng)、光譜帶寬、最大輸出能量和壓縮脈沖寬度等。根據(jù)這 些基本參數(shù)，能夠估算激光脈沖的最大峰值功率以及不同光束口徑下的激光光強(qiáng)、激光強(qiáng) 度的可調(diào)范圍等參數(shù)。由此，明確了激光系統(tǒng)的基本參數(shù)。此外，同樣地，根據(jù)需要選擇所 使用的三倍頻晶體，例如能夠選擇使用BB0晶體等。
[0025] 然后，針對(duì)激光系統(tǒng)的例如脈沖寬度、光譜寬度等基本參數(shù)和所采用的三倍頻晶 體，利用例如耦合波方程來(lái)計(jì)算不同光強(qiáng)度下的三倍頻轉(zhuǎn)換效率曲線，并且，計(jì)算對(duì)應(yīng)的不 同光強(qiáng)度下的三倍頻光能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比，得到三倍頻光能量抖動(dòng)與基頻光 能量抖動(dòng)之比和光強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，由此，能夠確定理論上的基頻光的光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)， 艮P，三倍頻光能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比最小的光強(qiáng)度的值。
[0026] 然后，利用理論設(shè)計(jì)的光強(qiáng)工作點(diǎn)與激光器的脈沖峰值功率，采用如下幾種方法 能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行三倍頻的激光的光強(qiáng)參數(shù)：（1)改變激光器的基頻光的光束口徑，設(shè)計(jì)相應(yīng) 的縮束或者擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)；（2)改變激光器的基頻光的脈沖寬度(例如，調(diào)整脈沖壓縮光柵 對(duì)的間距等方法）；（3)改變進(jìn)行三倍頻的激光器的基頻光的脈沖能量；（4)上述三種方法 的組合。
[0027] 然后，對(duì)于所述激光器，將上述的光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)作為參照，在該光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn) 附近，以從低到高的方式調(diào)整基頻光的能量，測(cè)量相應(yīng)的三倍頻轉(zhuǎn)換效率，獲得三倍頻轉(zhuǎn)換 效率隨脈沖能量的變化曲線（即，能夠得到三倍頻轉(zhuǎn)換效率隨著脈沖能量的增加先上升后 下降的曲線)，并且，計(jì)算對(duì)應(yīng)的不同光強(qiáng)下的三倍頻光能量抖動(dòng)與基頻光能量抖動(dòng)之比， 確定實(shí)際的光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)。
[0028] 然后，調(diào)整激光器的光束口徑或者脈沖寬度或者基頻光的能量，使得應(yīng)用所需的 脈沖能量工作點(diǎn)與實(shí)際的光強(qiáng)最優(yōu)工作點(diǎn)重合，在保證脈沖能量抖動(dòng)顯著下降的同時(shí)倍頻 效率的損失在可接受范圍內(nèi)，即，確保三倍頻激光的能量抖動(dòng)較小并且三倍頻轉(zhuǎn)換效率較 商。
[0029] 以下，舉出具體的實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。