基于ADP晶体的钕玻璃激光高效五次谐波转换技术

来源：中国激光

文章链接：

Fang Wang, Xuewei Deng, Liquan Wang, Fuquan Li, Wei Han, Wei Zhou, Xiaoxia Huang, Huaiwen Guo, Qihua Zhu. Efficient fifth harmonic generation of Nd: glass laser in ADP crystals[J]. Chinese Optics Letters, 2019, 17(12): 121403

波长在200 nm附近的深紫外相干光源在科学研究、医药以及工业领域有着广泛的应用需求，特别是在高能量密度物理研究领域。汤姆逊散射诊断装置是高密度等离子体参数诊断的重要手段，短波长的高能紫外光源作为其探针激光，可探测更高密度等离子体的物理参数，同时具有抑制等离子体中的吸收、折射和色散，减少等离子体背景辐射等优点。钕玻璃激光通过级联倍频的方式产生的五次谐波，是获得200 nm附近相干深紫外辐射源的有效手段，然而，对于大部分具有高紫外透射率的频率转换晶体材料，在短波长区域的色散都比较严重，即使利用晶体的双折射效应也很难满足相位匹配条件。

磷酸二氢铵（ADP）晶体是产生大能量五倍频激光输出的优异晶体材料，它具有生长尺寸大、损伤阈值高、有效非线性系数大等优点，且紫外吸收截止边小于200 nm。中国工程物理研究院激光聚变研究中心李富全研究员课题组通过实验测试了基于ADP晶体的五倍频转换过程，研究了转换效率随失谐角、温度以及基频光功率密度的变化特性，验证了它能够实现非临界相位匹配，具有45 mrad的超大角度接收带宽。但缺点是在零下71.5 ℃才能达到相位匹配条件，且温度接受曲线的半高全宽仅0.45 ℃，这给实际应用带来了很大的困难。对于具有大径厚比的晶体来说，在晶体口径范围内不可避免地存在温度梯度，这将导致转换效率在光束口径横截面内的不均匀分布，从而造成效率的下降和输出光束近场的不均匀性。

为解决这一问题，该课题组提出了一种聚焦光束五倍频方案，通过瓦片型温度分布场与聚焦光束相结合的方法来提升五倍频性能。研究成果发表在Chinese Optics Letters第17卷第12期上，并被主编选为Editors’ Pick。

角度和温度在相位匹配条件中的互补关系示意图。温度偏低时，在90°角的两侧对称分布着两个匹配角；当达到非临界相位匹配温度时，这两个相邻的匹配角又会结合在一起形成超大接收角。

该研究的主要思想是利用非临界相位匹配技术的超大角度接收范围来补偿空间范围内的温度梯度导致的相位失配量。众所周知，频率转换过程中的相位匹配因子是多个参数的函数，包括光束入射角、入射光波长、晶体工作温度等等，也就是说，由于某个参数的偏差导致的相位失配量可以用另一个或多个参数来进行补偿。当工作温度低于最佳匹配温度时，通过调谐光束入射角可以重新获得相位匹配，而且对于非临界相位匹配技术来说，在90°角的两边有两个相邻的最佳匹配角。另一方面，通过优化温控设计，将传统的四周导热型中心对称温度场分布，优化成仅沿非敏感轴方向导热的瓦片型温度场分布，此时非敏感轴方向可以获得非常均匀的温度分布，但敏感轴方向的温度梯度会增大。对于制冷型温控，越靠近晶体边缘温度越低，中心温度最高。当晶体中心满足非临界相位匹配条件时，沿着敏感轴方向，边缘区域由于温度偏低导致的相位失配量就可以通过聚焦光束的角度偏差来实现补偿。由于非敏感轴方向不受影响，因此光束口径范围内各个位置均能获得较高的转换效率。

李富全研究员认为：“相对于传统技术，该设计可降低对晶体温控均匀性的要求，有效提升五倍频效率和改善五倍频近场均匀性，且对光束中心与晶体中心偏离量的容差要大得多，对实际应用非常有利。”除此之外，该设计还可能为解决重频激光倍频等受温度梯度困扰的频率转换装置提供新的思路，具有良好的应用前景。

最新论文，免费阅读：Chinese Optics Letters第12期论文