啁啾脈沖放大環(huán)境中的光參量噪聲研究.pdf

1、超短超強激光是激光技術和光學工程領域重要的學科方向，它的基礎是飛秒超快技術和啁啾脈沖放大(CPA)技術。超短超強激光可以在實驗室內(nèi)創(chuàng)造出超高能量密度、超強電磁場和超快時間尺度的綜合性極端物理條件，開創(chuàng)了激光聚變、等離子體粒子加速、激光核物理、實驗室天體物理等前沿科學方向。持續(xù)提升激光脈沖峰值功率并降低其“時域”噪聲，即同時實現(xiàn)“激光更強、噪聲更弱”，是開拓超短超強激光重大科學應用所期盼的關鍵激光性能。過去30年，強激光系統(tǒng)發(fā)展的重點是“

2、讓激光更強”。迄今為止有兩種版本的強激光系統(tǒng)：基于能級型激光增益介質(zhì)的CPA系統(tǒng)和基于非線性光學晶體的光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)系統(tǒng)。這兩類系統(tǒng)均已實現(xiàn)拍瓦(1015 W)水平的超高峰值功率輸出，激光聚焦光強達到1021W/cm2。但在強場物理實驗中，不僅期望激光脈沖具有足夠高的峰值光強，同時要求脈沖前沿足夠干凈，即前沿噪聲光場的強度必須小于靶的電離閾值（~1011 W/cm2）。為此引入脈沖信噪比這一重要的指標來表征超短超強激光

3、脈沖的品質(zhì)，它的定義是主脈沖的峰值強度與脈沖前沿噪聲光場強度的比值。對于拍瓦級超強激光脈沖，通常要求脈沖信噪比高于1010，而目前的強激光系統(tǒng)輸出脈沖信噪比的典型值為108-109。超高信噪比的挑戰(zhàn)是超短超強激光領域至今尚未解決的重大科學技術問題。
　　“讓噪聲更弱”是強激光系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。超短超強激光系統(tǒng)的一個重要特征是放大器采用啁啾脈沖注入，激光的頻率與時間直接關聯(lián)，這使得系統(tǒng)的時域噪聲相比傳統(tǒng)的激光放大器更為復雜。另一方

4、面，目前的超短超強激光系統(tǒng)對信噪比的控制只局限于對種子脈沖做凈化處理，對放大器噪聲尚無有效的控制方法，這是超短超強激光難以實現(xiàn)超高信噪比的關鍵技術瓶頸。為此，迫切需要開展針對啁啾脈沖放大器的噪聲機理和及降噪技術研究。
　　本論文以超短超強激光脈沖信噪比提升總體為目標，選擇放大過程更為復雜的OPCPA系統(tǒng)作為具體研究對象（研究結(jié)果對于傳統(tǒng)能級型CPA同樣具有借鑒意義），對OPCPA放大器噪聲開展系統(tǒng)研究，在此基礎上提出并論證了適用于

5、OPCPA/CPA放大器的主動降噪技術。論文的主要研究工作和創(chuàng)新成績總結(jié)如下：
　　1、研究發(fā)現(xiàn)了OPCPA放大器中兩類新的噪聲產(chǎn)生機理，即“后沿次脈沖向前沿轉(zhuǎn)移”和“光散射起源的參量噪聲”，全面研究了兩類噪聲的產(chǎn)生、增長規(guī)律及其對系統(tǒng)輸出脈沖信噪比的影響。
　　后沿次脈沖向前沿轉(zhuǎn)移指的是由光學元件表面反射引入的后沿次脈沖，經(jīng)過OPCPA放大器，將在主脈沖的前沿衍生出若干噪聲脈沖，導致脈沖前沿信噪比迅速退化。這一前沿噪聲衍生

6、過程的物理基礎是光參量放大過程固有的非線性。光散射起源的參量噪聲指的是信號激光的光散射背景（來源于瑞利散射等）在OPCPA放大器中能夠自發(fā)地滿足位相匹配條件，形成一種新形式的光參量噪聲，其強度通常顯著強于量子噪聲起源的參量熒光，是限制OPCPA能量轉(zhuǎn)換效率的重要因素。
　　2、引入功率譜密度分析的方法研究了OPCPA放大過程中噪聲的整體演變規(guī)律，揭示了OPCPA放大器中不同種類、不同調(diào)制頻率的噪聲之間會發(fā)生非線性相互作用，深入研究

7、了噪聲非線性相互作用的強度對放大器工作參數(shù)的依賴關系，及其對輸出脈沖信噪比的影響。
　　為了準確、系統(tǒng)地描述啁啾脈沖放大器（包括 OPCPA、CPA系統(tǒng)）噪聲，引入功率譜密度的分析方法，建立了系統(tǒng)輸出脈沖信噪比與放大過程中信號光調(diào)制增長的定量對應關系。在此基礎上，研究發(fā)現(xiàn)了OPCPA放大器中不同種類、不同調(diào)制頻率的噪聲之間將發(fā)生非線性相互作用，由此衍生出若干新的噪聲成分（對應著不同調(diào)制頻率成分的和頻、差頻），導致輸出脈沖的時域噪聲

8、發(fā)生非線性展寬。
　　3、提出了對啁啾脈沖放大器進行主動降噪的新技術——時空啁啾耦合濾波技術（美國專利授權），通過理論推導、數(shù)值模擬和實驗研究驗證了技術可行性，將脈沖信噪比提升技術從過去只能凈化種子脈沖推進到對放大器降噪處理的新階段。
　　在目前的啁啾脈沖放大技術方案中，信號脈沖只具有時域啁啾，而在本論文提出的時空啁啾耦合濾波技術中，額外地引入空間啁啾“修飾”信號脈沖，使得信號與噪聲在放大、壓縮過程中遵循不同的時空演變特性，

9、最終在壓縮器輸出端發(fā)生時空分離，因此能夠通過空間光闌簡單、高效地濾除放大器的時域噪聲。通過數(shù)值模擬驗證了該技術對OPCPA放大器中的參量熒光、泵浦噪聲轉(zhuǎn)移、后沿脈沖向前沿轉(zhuǎn)移等噪聲都具有顯著的濾除效果；此外，濾波光闌對激光主脈沖的透過率接近100%，這是之前所有脈沖信噪比提升技術都無法做到的高效率?；谛】趶絆PCPA系統(tǒng)開展實驗研究，演示了時空啁啾脈沖的產(chǎn)生、放大、壓縮性能，驗證了該技術可將 OPCPA放大器噪聲降低1-2個數(shù)量級，將