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脉冲信噪比单次测量技术的系统集成与工程应用

王永志  
【摘要】:高峰值功率、高强度激光脉冲是目前激光技术发展的一个重要方向,它在聚变能源、实验室天体物理、粒子加速等方面都有着重要的应用。随着激光脉冲峰值功率的提高,脉冲的前沿信噪比问题是目前高功率激光技术的重要挑战之一。在光与物质的相互作用实验中,大于1011W/cm2的脉冲前沿噪声就会先于脉冲的主峰与靶物质发生相互作用产生预等离子体,从而干扰主脉冲与靶物质的相互作用。例如,对于聚焦光强为1021W/cm2的脉冲而言,激光脉冲的前沿信噪比要大于1010。这不仅是对脉冲信噪比的提升技术的考验,同时也是对脉冲信噪比诊断技术挑战。虽然目前最常用的脉冲信噪比测量手段—多脉冲扫描式互相关仪已经可以达到1010以上的信噪比测量能力,但是由于它通常需要大量脉冲来完成一次扫描测量,而大多数超高功率激光装置都工作在低重复率甚至无重复率状态,因此无法满足此类激光装置实际测量要求。因而发展行之有效的信噪比单次测量手段是解决高功率激光信噪比问题的重要前提。单次互相关技术(SSCC)是目前最具发展前景的信噪比单次测量技术。此前国际上相关研究小组已在实验上实现了106~107左右的测量能力。然而这还远不能达到实际工程应用的要求。要实现sscc在低重复率激光装置中的工程应用需要首先解决两类问题:一是要“测得准”。即测量过程必须是高保真度的测量,不能受到测量引入假背景噪声和假尖峰结构的“污染”;二是要“测得精”。即测量能力能够满足被测高功率激光系统对信噪比的要求。一般来说,需要达到1010或以上的测量动态范围。此外,要验证测量结果的可靠性,还需要与标准测量结果进行比对。针对这些问题,本论文以实际工程应用为最终目标,开展了以下研究工作:(1)通过消除测量引入的散射噪声与假脉冲对测量结果的污染,实现了高保真度的信噪比单次测量。实现高保真度的信噪比测量是将sscc推向工程化应用的重要前提条件,同时也是进一步提高sscc实际测量能力的前提条件。在sscc中影响信噪比测量保真度的因素主要有两个:测量过程本身引入的假背景噪声以及假尖峰结构。在本论文第二章中我们实验研究了sscc中由空气散射引入背景噪声和两种由光束在晶体前后表面的菲涅尔反射引入的假尖峰。在实验中,我们通过创新设计的点状衰减器将空气散射降低到脉冲真实本底水平以下,并基于PPLN晶体的特殊性,分别通过创新性的晶体结构设计和互相关位相匹配角度设计消除了两类假脉冲尖峰结构的影响;此外,通过与两种采用不同取样光的自建扫描式互相关仪的测量结果对比,验证了SSCC信噪比单次测量的保真度。(2)通过集成多项SSCC单元技术,探索了该技术路线下SSCC技术的极限测量能力,实现了1010的高动态范围信噪比单次测量。并首次与商品化扫描互相关仪的标准测量结果进行了比对。在本文第三章中,我们通过系统化地集成光纤阵列-PMT探测、混合注入OPG-OPA以及散射和假脉冲的抑制技术等多项SSCC单元技术,将SSCC用于测量XPW(旋转偏振波)产生的、具备超高时域信噪比的脉冲,探索了该技术路线的极限测量能力,实现了101o信噪比单次测量动态范围,在国际上首次达到接近商品化扫描式互相关仪的测量能力。将目前的信噪比单次测量水平提升了几个数量级,达到了百太瓦到拍瓦级激光装置的测量需求。同时通过与商品化扫描式测量设备和自参考测量结果的对比,证明了SSCC在高动态范围下测量结果的可靠性。(3)在以上两项工作的基础上,实施了SSCC在两类低重复率高功率激光装置(钕玻璃和钛宝石)的信噪比实时测量,将SSCC技术推进到工程应用阶段。在本论文第四章中,我们首先用SSCC对一台商品化的10Hz、200TW钛宝石飞秒激光器进行了信噪比单次测量,尝试了SSCC在较低重复率下的操作,并通过与Sequoia测量结果的对比验证了SSCC在低重复率下信噪比测量的可靠性;利用基于三阶自相关的SSCC对钕玻璃拍瓦(PW)激光器的脉宽进行了实时测量,并指导了钕玻璃拍瓦系统的压缩器精确调整,实现了脉宽的最优化;首次实施了对钕玻璃拍瓦激光装置的脉冲信噪比单次测量,首次得到了该类激光器在百皮秒范围内的信噪比数据;在总结工程应用经验基础上,提出并验证了SSCC实际工程应用时的预调整方案。


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