啁啾脈沖放大環(huán)境中的光參量噪聲研究.pdf

1、超短超強(qiáng)激光是激光技術(shù)和光學(xué)工程領(lǐng)域重要的學(xué)科方向，它的基礎(chǔ)是飛秒超快技術(shù)和啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)。超短超強(qiáng)激光可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出超高能量密度、超強(qiáng)電磁場和超快時(shí)間尺度的綜合性極端物理?xiàng)l件，開創(chuàng)了激光聚變、等離子體粒子加速、激光核物理、實(shí)驗(yàn)室天體物理等前沿科學(xué)方向。持續(xù)提升激光脈沖峰值功率并降低其“時(shí)域”噪聲，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)“激光更強(qiáng)、噪聲更弱”，是開拓超短超強(qiáng)激光重大科學(xué)應(yīng)用所期盼的關(guān)鍵激光性能。過去30年，強(qiáng)激光系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)是“

2、讓激光更強(qiáng)”。迄今為止有兩種版本的強(qiáng)激光系統(tǒng)：基于能級(jí)型激光增益介質(zhì)的CPA系統(tǒng)和基于非線性光學(xué)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(shí)現(xiàn)拍瓦(1015 W)水平的超高峰值功率輸出，激光聚焦光強(qiáng)達(dá)到1021W/cm2。但在強(qiáng)場物理實(shí)驗(yàn)中，不僅期望激光脈沖具有足夠高的峰值光強(qiáng)，同時(shí)要求脈沖前沿足夠干凈，即前沿噪聲光場的強(qiáng)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(biāo)來表征超短超強(qiáng)激光

3、脈沖的品質(zhì)，它的定義是主脈沖的峰值強(qiáng)度與脈沖前沿噪聲光場強(qiáng)度的比值。對(duì)于拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光脈沖，通常要求脈沖信噪比高于1010，而目前的強(qiáng)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(qiáng)激光領(lǐng)域至今尚未解決的重大科學(xué)技術(shù)問題。
　　“讓噪聲更弱”是強(qiáng)激光系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是放大器采用啁啾脈沖注入，激光的頻率與時(shí)間直接關(guān)聯(lián)，這使得系統(tǒng)的時(shí)域噪聲相比傳統(tǒng)的激光放大器更為復(fù)雜。另一方

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

5、OPCPA/CPA放大器的主動(dòng)降噪技術(shù)。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(jī)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(duì)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(xué)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(dǎo)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(chǔ)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(hào)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(qiáng)度通常顯著強(qiáng)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(huì)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(qiáng)度對(duì)放大器工作參數(shù)的依賴關(guān)系，及其對(duì)輸出脈沖信噪比的影響。
　　為了準(zhǔn)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(hào)光調(diào)制增長的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)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(duì)應(yīng)著不同調(diào)制頻率成分的和頻、差頻），導(dǎo)致輸出脈沖的時(shí)域噪聲

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

9、最終在壓縮器輸出端發(fā)生時(shí)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(shí)域噪聲。通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)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(duì)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(shù)都無法做到的高效率。基于小口徑OPCPA系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究，演示了時(shí)空啁啾脈沖的產(chǎn)生、放大、壓縮性能，驗(yàn)證了該技術(shù)可將 OPCPA放大器噪聲降低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，將