脈沖信噪比單次互相關測量的新技術研究.pdf

1、高強度激光的發(fā)展驅動光與物質相互作用進入了相對論區(qū)域，這是物理學的一個前沿研究領域，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，將促進聚變能源、國防安全和重大基礎研究。這些使用強激光驅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脈沖的強度與主脈沖峰值強度的比值，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脈沖的強度一旦超過預等離子體產生

2、閾值（一般為1011 W/cm2），就會先于主脈沖與靶材進行相互作用，破壞靶材的性質。然而高強度激光在產生、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，另一方面需要開發(fā)脈沖信噪比的測量技術。由于目前高強度激光的重復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。它要求只根據一發(fā)脈沖即可高動態(tài)范圍地測出一定時間范圍內的脈沖信噪比信息，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，不僅沒有商品化設備，而且相關技術十分匱乏。實際應用的需求迫使我們去研究和開發(fā)創(chuàng)新的脈沖信噪比單次測量技術。本文針對這一需求，在認真分析目前單次測量技術存在的問題的基礎上，提出了一系列創(chuàng)新技術，解決了許多技術難題，為單次測量的實際應用奠定了

4、技術基礎。
　　非共線互相關技術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)非共線互相關性能的全面優(yōu)化。我們認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)了適用于遠場、空間可分辨的脈沖信噪比互相關器，解決了當前基于近場信噪比測量無法如實反映遠場脈沖信噪比情況的難題。本文的主要研究內容和學術創(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
　　這部分內容是互相關器中長波長取樣技術的理論基礎。我們理論研究了短脈沖泵浦的OPA中放大后信號光和新產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，并隨著增益的增強而進一步得到提升。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器中的長波長脈沖取樣技術
　　倍頻(SHG)是最常用的取樣光產生技術，它簡單有效，但是也有缺點。首先如果相關過程采用和頻(SFG)過程，所產生的三倍頻(THG)相關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;其次如果相關過程采用差頻(DFG)過程，則產生的相關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計自由度。使用長波長取樣可使相關信號波長位于光纖陣列的低損耗區(qū)，并便于進行光譜濾波，同時結合使用準位相匹配(QPM)技術后，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)來產生。
　　三、提出并驗證了基于高階準位相匹配(QPM)的互相關技術
　　在基于雙折射位相匹配的互相關器中，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位相匹配技術。極化倒格矢的引入可以補償大的位相失配量，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，在相同的極化周期下，高階QPM比一階QPM具有更強的位相補償能力，從而允許更大的非共線角和單次時間窗口。QPM結構靈活

9、的可設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中分辨率和保真度無法同時優(yōu)化的問題?；诟唠AQPM技術，我們設計了三款互相關構型，并選取其中一種新穎的側面取樣構型進行了實驗驗證。實驗表明，該相關器的單次時間窗口可達70 ps/cm，動態(tài)范圍可達109，而且具有高的分辨率（百飛秒）和保真度。
　　四、研發(fā)了可測量遠場脈沖信噪比的空時互相關器
　　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動激光的焦點（遠場）。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表面產生的遠場空時噪聲。這些附加在脈沖近場的噪聲，聚焦后會在遠場出現(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器。針對這一問題，我們開發(fā)了一套可工作在脈沖遠場的空時互相關器，在實驗上