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脉冲信噪比单次互相关测量的新技术研究

马金贵  
【摘要】:高强度激光的发展驱动光与物质相互作用进入了相对论区域,这是物理学的一个前沿研究领域,涉及到众多重大研究课题,包括激光聚变、粒子激光加速和高能辐射源等,将促进聚变能源、国防安全和重大基础研究。这些使用强激光驱动的物理实验对激光脉冲的时域信噪比提出了苛刻的要求。所谓脉冲信噪比指的是主脉冲前沿噪声本底或者预脉冲的强度与主脉冲峰值强度的比值,亦称为脉冲对比度。如果脉冲前沿对比度不够高,那么主脉冲前沿本底噪声或者预脉冲的强度一旦超过预等离子体产生阈值(一般为1011W/cm2),就会先于主脉冲与靶材进行相互作用,破坏靶材的性质。然而高强度激光在产生、传输、展宽、放大和压缩等过程中不可避免地伴随着很多畸变,众多因素均将降低脉冲信噪比。为满足物理实验的要求、实现激光脉冲高信噪比,一方面需要开发高效率的脉冲信噪比提升技术,另一方面需要开发脉冲信噪比的测量技术。由于目前高强度激光的重复率非常低甚至单次运行,基于多个脉冲的时间扫描型互相关测量已变得很不有效甚至不再适用,必须开发实时的脉冲信噪比单次测量技术。它要求只根据一发脉冲即可高动态范围地测出一定时间范围内的脉冲信噪比信息,同时保证具有高的时间分辨率和保真度。脉冲信噪比的单次测量是个世界性难题,在我们的工作之前尚处于研究初级阶段,不仅没有商品化设备,而且相关技术十分匮乏。实际应用的需求迫使我们去研究和开发创新的脉冲信噪比单次测量技术。本文针对这一需求,在认真分析目前单次测量技术存在的问题的基础上,提出了一系列创新技术,解决了许多技术难题,为单次测量的实际应用奠定了技术基础。非共线互相关技术是脉冲信噪比单次测量的基本方法。基于课题组2008年提出的光纤阵列/光电倍增管高动态范围(1010)并行探测系统,我的工作主要围绕着如何增大单次测量的时间窗口以及实现非共线互相关性能的全面优化。我们认识到真正有意义是聚焦光斑位置的脉冲信噪比,对此,我们首次开发了适用于远场、空间可分辨的脉冲信噪比互相关器,解决了当前基于近场信噪比测量无法如实反映远场脉冲信噪比情况的难题。本文的主要研究内容和学术创新如下:一、理论研究了光参量放大(OPA)对脉冲信噪比的提升作用这部分内容是互相关器中长波长取样技术的理论基础。我们理论研究了短脉冲泵浦的OPA中放大后信号光和新产生闲频光信噪比的提升效果,并揭示了两者信噪比提升与OPA参量增益的关系。研究表明放大后信号光的信噪比提升量约为OPA的增益;而新产生的闲频光比泵浦和信号光均干净,其信噪比约为初始信号光和泵浦光信噪比的乘积,并随着增益的增强而进一步得到提升。同时也研究了群速度失配、群速度色散以及泵浦时间宽度对该过程的影响。二、提出并验证了互相关器中的长波长脉冲取样技术倍频(SHG)是最常用的取样光产生技术,它简单有效,但是也有缺点。首先如果相关过程采用和频(SFG)过程,所产生的三倍频(THG)相关信号将位于紫外波段,在光纤阵列中传输时会有很大的吸收;其次如果相关过程采用差频(DFG)过程,则产生的相关信号将与待测光同波长,无法有效隔离散射噪声;再次,采用倍频取样无法有效增大单次时间窗口。我们提出可以将取样波长作为一个设计自由度。使用长波长取样可使相关信号波长位于光纤阵列的低损耗区,并便于进行光谱滤波,同时结合使用准位相匹配(QPM)技术后,取样光波长越长,单次时间窗口便越大。因此使用长波长取样既可增大单次时间窗口也可提高动态范围。长波长的取样光可用待测光泵浦一个OPA系统来产生。三、提出并验证了基于高阶准位相匹配(QPM)的互相关技术在基于双折射位相匹配的互相关器中,最大非共线角受限于位相匹配条件,从而单次测量的时间窗口也受限。为了突破这一限制,我们提出可以采用准位相匹配技术。极化倒格矢的引入可以补偿大的位相失配量,允许较大的非共线角,从而增大单次测量时间窗口。一般而言极化周期越小,单次时间窗口越大。但是极化周期受限于目前的加工工艺,无法无限制地减小。为了解决这一问题,我们提出可以使用高阶QPM技术,在相同的极化周期下,高阶QPM比一阶QPM具有更强的位相补偿能力,从而允许更大的非共线角和单次时间窗口。QPM结构灵活的可设计性使得可以在一块大的晶体基片上仅极化其中一小部分,从而可以解决使用双折射位相匹配互相关中分辨率和保真度无法同时优化的问题。基于高阶QPM技术,我们设计了三款互相关构型,并选取其中一种新颖的侧面取样构型进行了实验验证。实验表明,该相关器的单次时间窗口可达70ps/cm,动态范围可达109,而且具有高的分辨率(百飞秒)和保真度。四、研发了可测量远场脉冲信噪比的空时互相关器目前所有的信噪比测量方法均工作在近场,而物理实验中靶材位于驱动激光的焦点(远场)。这带来一个问题:在近场测出的信噪比能否如实反映脉冲远场的信噪比情况?对某些影响压缩脉冲信噪比的噪声而言答案是否定的,比如啁啾脉冲放大系统的展宽器和压缩器中不理想的光学表面产生的远场空时噪声。这些附加在脉冲近场的噪声,聚焦后会在远场出现时空耦合,即不同时刻的噪声出现在不同的空间位置,所以需要开发具有空间分辨能力的空时互相关器。针对这一问题,我们开发了一套可工作在脉冲远场的空时互相关器,在实验上验证了它的测量准确性,并测量了实际展宽器和压缩器中不理想的光学表面造成的远场空时噪声。利用空时互相关器,我们还可以甄别噪声的来源。根据测量结果,我们建议可将信噪比贴切地定义为远场轴上信噪比。我们还发现对远场轴上信噪比影响最大的是位于展宽器中的远场光学件。通过避免使用远场光学件,远场轴上信噪比得到了很大程度的提升。这些结果加深了我们对信噪比空时本质的理解,而且可以指导超高峰值功率激光系统的设计。


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