脈沖信噪比單次互相關(guān)測(cè)量的新技術(shù)研究.pdf

1、高強(qiáng)度激光的發(fā)展驅(qū)動(dòng)光與物質(zhì)相互作用進(jìn)入了相對(duì)論區(qū)域，這是物理學(xué)的一個(gè)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(guó)防安全和重大基礎(chǔ)研究。這些使用強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)激光脈沖的時(shí)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(chēng)為脈沖對(duì)比度。如果脈沖前沿對(duì)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(guò)預(yù)等離子體產(chǎn)生

2、閾值（一般為1011 W/cm2），就會(huì)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(guò)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(mǎn)足物理實(shí)驗(yàn)的要求、實(shí)現(xiàn)激光脈沖高信噪比，一方面需要開(kāi)發(fā)高效率的脈沖信噪比提升技術(shù)，另一方面需要開(kāi)發(fā)脈沖信噪比的測(cè)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(yùn)行，基于多個(gè)脈沖的時(shí)間掃描型互相關(guān)測(cè)量已變得很不有效甚至不再適用，必須開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)的脈

3、沖信噪比單次測(cè)量技術(shù)。它要求只根據(jù)一發(fā)脈沖即可高動(dòng)態(tài)范圍地測(cè)出一定時(shí)間范圍內(nèi)的脈沖信噪比信息，同時(shí)保證具有高的時(shí)間分辨率和保真度。脈沖信噪比的單次測(cè)量是個(gè)世界性難題，在我們的工作之前尚處于研究初級(jí)階段，不僅沒(méi)有商品化設(shè)備，而且相關(guān)技術(shù)十分匱乏。實(shí)際應(yīng)用的需求迫使我們?nèi)パ芯亢烷_(kāi)發(fā)創(chuàng)新的脈沖信噪比單次測(cè)量技術(shù)。本文針對(duì)這一需求，在認(rèn)真分析目前單次測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)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(cè)量的實(shí)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(cè)量的基本方法。基于課題組2008年提出的光纖陣列/光電倍增管高動(dòng)態(tài)范圍(＞1010)并行探測(cè)系統(tǒng)，我的工作主要圍繞著如何增大單次測(cè)量的時(shí)間窗口以及實(shí)現(xiàn)非共線互相關(guān)性能的全面優(yōu)化。我們認(rèn)識(shí)到真正有意義是聚焦光斑位置的脈沖信噪比，對(duì)此，我們首次開(kāi)發(fā)了適用于遠(yuǎn)場(chǎng)、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(chǎng)信噪比測(cè)量無(wú)法如實(shí)反映遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖信噪比情況的難題。本文的主要研究?jī)?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(duì)脈沖信噪比的提升作用
　　這部分內(nèi)容是互相關(guān)器中長(zhǎng)波長(zhǎng)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(hào)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(hào)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(hào)光均干凈，其信噪比約為初始信號(hào)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(shí)也研究了群

6、速度失配、群速度色散以及泵浦時(shí)間寬度對(duì)該過(guò)程的影響。
　　二、提出并驗(yàn)證了互相關(guān)器中的長(zhǎng)波長(zhǎng)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(jiǎn)單有效，但是也有缺點(diǎn)。首先如果相關(guān)過(guò)程采用和頻(SFG)過(guò)程，所產(chǎn)生的三倍頻(THG)相關(guān)信號(hào)將位于紫外波段，在光纖陣列中傳輸時(shí)會(huì)有很大的吸收;其次如果相關(guān)過(guò)程采用差頻(DFG)過(guò)程，則產(chǎn)生的相關(guān)信號(hào)將與待測(cè)光同波長(zhǎng)，無(wú)法有效隔離散射噪聲;再次，采用倍頻取樣無(wú)法有效增大單次

7、時(shí)間窗口。我們提出可以將取樣波長(zhǎng)作為一個(gè)設(shè)計(jì)自由度。使用長(zhǎng)波長(zhǎng)取樣可使相關(guān)信號(hào)波長(zhǎng)位于光纖陣列的低損耗區(qū)，并便于進(jìn)行光譜濾波，同時(shí)結(jié)合使用準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)后，取樣光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，單次時(shí)間窗口便越大。因此使用長(zhǎng)波長(zhǎng)取樣既可增大單次時(shí)間窗口也可提高動(dòng)態(tài)范圍。長(zhǎng)波長(zhǎng)的取樣光可用待測(cè)光泵浦一個(gè)OPA系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生。
　　三、提出并驗(yàn)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(cè)量的時(shí)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(cè)量時(shí)間窗口。一般而言極化周期越小，單次時(shí)間窗口越大。但是極化周期受限于目前的加工工藝，無(wú)法無(wú)限制地減小。為了解決這一問(wèn)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(shí)間窗口。QPM結(jié)構(gòu)靈活

9、的可設(shè)計(jì)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(wú)法同時(shí)優(yōu)化的問(wèn)題?；诟唠AQPM技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該相關(guān)器的單次時(shí)間窗口可達(dá)70 ps/cm，動(dòng)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(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖信噪比的空時(shí)互相關(guān)器
　　目前所有的信噪比測(cè)量方法均工作在近場(chǎng)

10、，而物理實(shí)驗(yàn)中靶材位于驅(qū)動(dòng)激光的焦點(diǎn)（遠(yuǎn)場(chǎng)）。這帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:在近場(chǎng)測(cè)出的信噪比能否如實(shí)反映脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)的信噪比情況？對(duì)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(chǎng)空時(shí)噪聲。這些附加在脈沖近場(chǎng)的噪聲，聚焦后會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)空耦合，即不同時(shí)刻的噪聲出現(xiàn)在不同的空間位置，所以需要開(kāi)發(fā)具有空間分辨能力的空時(shí)互相關(guān)器。針對(duì)這一問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一套可工作在脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)的空時(shí)互相關(guān)器，在實(shí)驗(yàn)上