等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法及系统与流程

本发明属于非线性光学与等离子体物理交叉，特别涉及等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法及系统。

背景技术：

1、非线性频率转换技术是拓展激光波段、获取新型频率相干光辐射的核心技术，广泛应用于基础科研与现代光子技术领域，应用价值与技术地位突出。二次谐波（sh）、和频、差频等主流非线性频率转换过程实现高效能量转换的关键，在于满足严苛的相位匹配条件，以此保证参与非线性相互作用的各束光波保持稳定相位关系，实现光场能量定向且持续的高效转移。

2、目前行业内主流依托块状非线性晶体实现相位匹配，主要利用晶体固有双折射特性，或是人工制备周期性极化结构的准相位匹配晶体完成相位匹配调控。但传统双折射相位匹配与常规周期性极化准相位匹配方式调控形式固定，结构制备工艺复杂，相位匹配灵活性差，难以实现动态化、精细化的相位匹配调控，无法适配多场景、多频段非线性频率转换的灵活调控需求，极大限制了非线性频率转换技术在宽波段、可调谐激光光源研制等前沿领域的进一步应用，因此亟需研发新型准相位匹配调控方式，优化非线性频率转换整体性能。

3、更进一步的，这些固态非线性介质存在固有的光学损伤阈值，难以应用于高峰值功率的强场激光环境，极大地限制了其在强场物理、高功率太赫兹产生等前沿领域的应用。特别地，对于高次谐波产生等极端非线性过程，其驱动光强已远超任何固体的损伤阈值，且目标波段（如极紫外区的13.5 nm）对相位匹配的精度提出了更高要求，传统晶体方案完全无法胜任。因此，发展一种能够耐受极端强场、并可对相位匹配进行动态精密编程的全新介质与机制，是通往高效、可实用化高次谐波光源，特别是特定波长euv光源的关键。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法及系统，期望改善现有在气体等中心对称介质中实现高效的非线性频率转换缺乏对非线性相互作用微结构的动态与精密调控能力的问题，导致非线性转换效率低、稳定性差，且无法根据不同的目标频率转换过程（如差频与和频）进行适配性优化。

2、本发明采用的技术方案如下：等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，方法包括如下步骤：

3、步骤s100：由激光产生单元提供泵浦激光，并将泵浦激光进行分束与调控，形成至少两束具有相干性的子泵浦光束；

4、步骤s200：使其中两束子泵浦光束在非线性介质的预定区域中交汇并发生干涉，从而诱导形成具有周期性排布结构的等离子体光栅；等离子体光栅的周期及调制深度可调；

5、步骤s300：由激光产生单元提供探测激光，并将探测激光导入等离子体光栅的作用区域内，使得探测的基波光转换为其他频率的光；

6、步骤s400：通过等离子体光栅对等离子体折射率进行周期性调制，等离子体光栅带来的倒格矢以补偿探测激光的基频光与目标频率转换光之间的相位失配，实现准相位匹配，当倒格矢等于两频率光波矢差时，将基频光转换为强度增强的目标频率转换光。

7、进一步的，步骤s200中，通过调节其中两束子泵浦光束之间的夹角，调控等离子体光栅的周期，以满足针对特定目标频率转换光的准相位匹配条件。

8、进一步的，步骤s200中，通过调节子泵浦光束的偏振态和光强，调控等离子体光栅的调制深度。

9、进一步的，步骤s300中，探测激光在时间上与子泵浦光束同步或异步。

10、进一步的，步骤s400中，沿光路级联设置两个或两个以上的等离子体光栅，形成级联增强结构，使目标频率转换光在传播过程中实现信号强度在逐个等离子体光栅的阶梯式累积增强。

11、进一步的，目标频率转换光包括但不限于倍频和频或差频光。

12、进一步的，级联增强结构的多个等离子体光栅在空间上错位排布。

13、进一步的，步骤s200中的非线性介质为气体介质。

14、更进一步的，本发明还提供了等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换系统，系统包括如下结构：

15、激光产生单元，用于提供泵浦激光和探测激光；光束分束与调控单元，用于将泵浦激光分束并调控为至少两束具有相干性的子泵浦光束，并将至少两束子泵浦光束引导至非线性介质中的预定区域内发生干涉，以形成等离子体光栅；探测光引入单元，用于将探测激光导入至等离子体光栅的作用区域；信号收集与检测单元，用于收集并检测由等离子体光栅调制产生的目标频率转换光。

16、更进一步的，光束分束与调控单元包括用于调节子泵浦光束夹角、偏振态、光强及光程的光学元件和位移平台。

17、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

18、1、本发明通过多束相干泵浦激光的精确干涉，在非线性介质中主动构建出周期、调制深度及空间构型均可动态调控的等离子体光栅，实现对不同非线性频率转换过程所需准相位匹配条件的按需补偿，从而能够根据不同目标频率转换过程进行适配性优化。

19、2、本发明将气体介质转化为一个高度可控的非线性光学平台，从根本上提升频率转换的效率、灵活性及功能丰富性，推动非线性光学技术在更广阔介质体系中的应用。

1.等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，步骤s200中，通过调节其中两束子泵浦光束之间的夹角，调控等离子体光栅的周期。

3.根据权利要求1所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，步骤s200中，通过调节子泵浦光束的偏振态和光强，调控等离子体光栅的调制深度。

4.根据权利要求1所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，步骤s300中，探测激光在时间和空间上与子泵浦光束同步，使各路脉冲相互作用效果最优。

5.根据权利要求1所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，步骤s400中，沿光路级联设置两个或两个以上的等离子体光栅，形成级联增强结构，使目标频率转换光在传播过程中实现信号强度在逐个等离子体光栅的阶梯式累积增强。

6.根据权利要求5所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，目标频率转换光包括但不限于倍频和频或差频光。

7.根据权利要求5所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，级联增强结构的多个等离子体光栅在空间上错位排布。

8.根据权利要求1所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，步骤s200中的非线性介质为气体介质。

9.等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换系统，使用权利要求1-8任意一项所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换方法，其特征在于，系统包括如下结构：

10.根据权利要求9所述的等离子体调制准相位匹配的非线性频率转换系统，其特征在于，光束分束与调控单元包括用于调节子泵浦光束夹角、偏振态、光强及光程的光学元件和位移平台。