啁啾脉冲放大系统中的信噪比提升技术研究

【摘要】：随着啁啾脉冲放大技术的发展和应用,激光日益朝着超强超短方向发展。因而在超强激光的基础实验的应用中,对激光信噪比要求越来越高,因此如何提高以及测量激光脉冲的信噪比成为一个重要课题。 本文主要工作首先通过数值模拟和相关实验对十通多通预放大器的信噪比进行研究,发现改进后激光脉冲信噪比提高了两个量级;其次还对ns信噪比的测量方法进行了改进,改进后的实验装置将ns信噪比的测量范围提高了三个量级,具体研究内容如下: 1.对超强激光实验平台的前级的多通放大系统进行数值模拟,分析在饱和增益以及非饱和增益两种情况下激光脉冲各时间点的放大情况。模拟显示种子光在放大过程中不同时间点的增益不同,功率密度越高的点增益越快,脉冲中心在放大过程中会比边缘要快两个量级:例如,在-300ps处,脉冲增益系数为7.1×10~3,而在峰值处,增益系数为8.0×10~5,因此在放大之后经过压缩器测得的信噪比会相应提高两个量级。另外在泵浦通量为2.0J/cm~2的饱和增益的情况下,模拟显示脉冲各个时间点的增益幅度基本一致:例如,在-300ps处,脉冲增益系数为1.2×10~5,而在峰值处,增益系数为1.5×10~5,此时放大对种子光的信噪比没有太大影响。根据模拟的条件,我们搭建了一个十通多通放大器,进行对照实验,相关实验结果表明,在非饱和放大的情况下,放大后的激光脉冲信噪比由10~(-5)提高到10~(-7),而在饱和增益的情况下放大后的激光脉冲信噪比仍为10~(-5)。 2.利用普克尔盒( Pockels cell)和格兰棱镜以一定方式组合使用时能对超强激光脉冲的主脉冲进行消光而不会削弱ASE强度的特性,我们搭建了一套ns信噪比测量装置。在以往测量方法中往往会由于信噪比过高打坏测量光电管,为了避免这种情况,提高ns信噪比的测量动态范围,我们先调节两个普克尔盒( Pockels cell)和格兰棱镜使其对主脉冲消光,测得ASE强度,再分别利用其中一个普克尔盒( Pockels cell)和格兰棱镜对主脉冲消光前后的脉冲强度比值测得该装置的消光比,然后衰减主脉冲使其通过测量装置进行测量,根据衰减系数和测得的该装置的消光比可以得到主脉冲强度,ASE强度与主脉冲强度的比值就是要测量的激光脉冲信噪比。实验测得了2.95×10~(-8)的激光脉冲信噪比,这表明该实验装置使得ns信噪比的测量动态范围提高了三个量级。 3.参与进行了XPW滤波提高飞秒放大激光信噪比的实验研究,有效地抑制了“极光-Ⅲ”装置中前级再生放大系统输出激光脉冲的预脉冲以及ASE,结果显示在皮秒级的范围内,放大激光的信噪比从10~(-5)提高到了10~(-7)。这为进一步在更高峰值功率的飞秒激光放大中获得高信噪比的结果提供了基础,在激光与物质相互作用的等离子体物理实验中具有重要的意义。 4.与其他放大方法相比OPA系统对与信噪比的提升效率要高的多,难点在于光学参量放大实验要求延时精度比较高,实验的难度较大。我们通过两级OPA放大系统将激光脉冲信噪比提升至10~(-11)。