脈沖信噪比單次互相關(guān)測量的新技術(shù)研究.pdf

1、高強(qiáng)度激光的發(fā)展驅(qū)動光與物質(zhì)相互作用進(jìn)入了相對論區(qū)域，這是物理學(xué)的一個前沿研究領(lǐng)域，涉及到眾多重大研究課題，包括激光聚變、粒子激光加速和高能輻射源等，將促進(jìn)聚變能源、國防安全和重大基礎(chǔ)研究。這些使用強(qiáng)激光驅(qū)動的物理實驗對激光脈沖的時域信噪比提出了苛刻的要求。所謂脈沖信噪比指的是主脈沖前沿噪聲本底或者預(yù)脈沖的強(qiáng)度與主脈沖峰值強(qiáng)度的比值，亦稱為脈沖對比度。如果脈沖前沿對比度不夠高，那么主脈沖前沿本底噪聲或者預(yù)脈沖的強(qiáng)度一旦超過預(yù)等離子體產(chǎn)生

2、閾值（一般為1011 W/cm2），就會先于主脈沖與靶材進(jìn)行相互作用，破壞靶材的性質(zhì)。然而高強(qiáng)度激光在產(chǎn)生、傳輸、展寬、放大和壓縮等過程中不可避免地伴隨著很多畸變，眾多因素均將降低脈沖信噪比。為滿足物理實驗的要求、實現(xiàn)激光脈沖高信噪比，一方面需要開發(fā)高效率的脈沖信噪比提升技術(shù)，另一方面需要開發(fā)脈沖信噪比的測量技術(shù)。由于目前高強(qiáng)度激光的重復(fù)率非常低甚至單次運行，基于多個脈沖的時間掃描型互相關(guān)測量已變得很不有效甚至不再適用，必須開發(fā)實時的脈

3、沖信噪比單次測量技術(shù)。它要求只根據(jù)一發(fā)脈沖即可高動態(tài)范圍地測出一定時間范圍內(nèi)的脈沖信噪比信息，同時保證具有高的時間分辨率和保真度。脈沖信噪比的單次測量是個世界性難題，在我們的工作之前尚處于研究初級階段，不僅沒有商品化設(shè)備，而且相關(guān)技術(shù)十分匱乏。實際應(yīng)用的需求迫使我們?nèi)パ芯亢烷_發(fā)創(chuàng)新的脈沖信噪比單次測量技術(shù)。本文針對這一需求，在認(rèn)真分析目前單次測量技術(shù)存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了一系列創(chuàng)新技術(shù)，解決了許多技術(shù)難題，為單次測量的實際應(yīng)用奠定了

4、技術(shù)基礎(chǔ)。
　　非共線互相關(guān)技術(shù)是脈沖信噪比單次測量的基本方法?；谡n題組2008年提出的光纖陣列/光電倍增管高動態(tài)范圍(＞1010)并行探測系統(tǒng)，我的工作主要圍繞著如何增大單次測量的時間窗口以及實現(xiàn)非共線互相關(guān)性能的全面優(yōu)化。我們認(rèn)識到真正有意義是聚焦光斑位置的脈沖信噪比，對此，我們首次開發(fā)了適用于遠(yuǎn)場、空間可分辨的脈沖信噪比互相關(guān)器，解決了當(dāng)前基于近場信噪比測量無法如實反映遠(yuǎn)場脈沖信噪比情況的難題。本文的主要研究內(nèi)容和學(xué)術(shù)創(chuàng)新

5、如下:
　　一、理論研究了光參量放大(OPA)對脈沖信噪比的提升作用
　　這部分內(nèi)容是互相關(guān)器中長波長取樣技術(shù)的理論基礎(chǔ)。我們理論研究了短脈沖泵浦的OPA中放大后信號光和新產(chǎn)生閑頻光信噪比的提升效果，并揭示了兩者信噪比提升與OPA參量增益的關(guān)系。研究表明放大后信號光的信噪比提升量約為OPA的增益;而新產(chǎn)生的閑頻光比泵浦和信號光均干凈，其信噪比約為初始信號光和泵浦光信噪比的乘積，并隨著增益的增強(qiáng)而進(jìn)一步得到提升。同時也研究了群

6、速度失配、群速度色散以及泵浦時間寬度對該過程的影響。
　　二、提出并驗證了互相關(guān)器中的長波長脈沖取樣技術(shù)
　　倍頻(SHG)是最常用的取樣光產(chǎn)生技術(shù)，它簡單有效，但是也有缺點。首先如果相關(guān)過程采用和頻(SFG)過程，所產(chǎn)生的三倍頻(THG)相關(guān)信號將位于紫外波段，在光纖陣列中傳輸時會有很大的吸收;其次如果相關(guān)過程采用差頻(DFG)過程，則產(chǎn)生的相關(guān)信號將與待測光同波長，無法有效隔離散射噪聲;再次，采用倍頻取樣無法有效增大單次

7、時間窗口。我們提出可以將取樣波長作為一個設(shè)計自由度。使用長波長取樣可使相關(guān)信號波長位于光纖陣列的低損耗區(qū)，并便于進(jìn)行光譜濾波，同時結(jié)合使用準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)后，取樣光波長越長，單次時間窗口便越大。因此使用長波長取樣既可增大單次時間窗口也可提高動態(tài)范圍。長波長的取樣光可用待測光泵浦一個OPA系統(tǒng)來產(chǎn)生。
　　三、提出并驗證了基于高階準(zhǔn)位相匹配(QPM)的互相關(guān)技術(shù)
　　在基于雙折射位相匹配的互相關(guān)器中，最大非共線角受限于

8、位相匹配條件，從而單次測量的時間窗口也受限。為了突破這一限制，我們提出可以采用準(zhǔn)位相匹配技術(shù)。極化倒格矢的引入可以補(bǔ)償大的位相失配量，允許較大的非共線角，從而增大單次測量時間窗口。一般而言極化周期越小，單次時間窗口越大。但是極化周期受限于目前的加工工藝，無法無限制地減小。為了解決這一問題，我們提出可以使用高階QPM技術(shù)，在相同的極化周期下，高階QPM比一階QPM具有更強(qiáng)的位相補(bǔ)償能力，從而允許更大的非共線角和單次時間窗口。QPM結(jié)構(gòu)靈活

9、的可設(shè)計性使得可以在一塊大的晶體基片上僅極化其中一小部分，從而可以解決使用雙折射位相匹配互相關(guān)中分辨率和保真度無法同時優(yōu)化的問題?；诟唠AQPM技術(shù)，我們設(shè)計了三款互相關(guān)構(gòu)型，并選取其中一種新穎的側(cè)面取樣構(gòu)型進(jìn)行了實驗驗證。實驗表明，該相關(guān)器的單次時間窗口可達(dá)70 ps/cm，動態(tài)范圍可達(dá)109，而且具有高的分辨率（百飛秒）和保真度。
　　四、研發(fā)了可測量遠(yuǎn)場脈沖信噪比的空時互相關(guān)器
　　目前所有的信噪比測量方法均工作在近場

10、，而物理實驗中靶材位于驅(qū)動激光的焦點（遠(yuǎn)場）。這帶來一個問題:在近場測出的信噪比能否如實反映脈沖遠(yuǎn)場的信噪比情況？對某些影響壓縮脈沖信噪比的噪聲而言答案是否定的，比如啁啾脈沖放大系統(tǒng)的展寬器和壓縮器中不理想的光學(xué)表面產(chǎn)生的遠(yuǎn)場空時噪聲。這些附加在脈沖近場的噪聲，聚焦后會在遠(yuǎn)場出現(xiàn)時空耦合，即不同時刻的噪聲出現(xiàn)在不同的空間位置，所以需要開發(fā)具有空間分辨能力的空時互相關(guān)器。針對這一問題，我們開發(fā)了一套可工作在脈沖遠(yuǎn)場的空時互相關(guān)器，在實驗上