倍频型级联啁啾脉冲放大技术提升脉冲信噪比的研究

本项目针对超高功率大型激光装置目前急需解决的脉冲信噪比核心问题，提出和研究倍频型级联双啁啾脉冲放大(CPA)方案，其核心是两级CPA分别工作在不同的波长（即基波和谐波），二者间通过倍频过程来实现脉冲的非线性净化和波长的转换和匹配。倍频过程将极大程度提高脉冲信噪比，而最后一级CPA系统则保证了脉冲的输出能量。理论上，将研究作为前一级CPA的OPCPA系统本身的信噪比问题，并着重研究倍频过程对OPCPA输出脉冲信噪比的进一步提升。实验上，将建立小规模的实验演示系统，对该方案提高信噪比的能力进行考核。本项目紧密结合了国家科技重大专项的需求，将对今后超高功率大型激光装置的发展起到深远的影响。

本课题针对高功率激光系统中的脉冲信噪比问题，从系统设计层面重点研究了倍频型级联啁啾脉冲放大技术，验证了倍频过程的脉冲净化能力。课题实现了原定的科学研究目标，基本达到了主要技术指标，取得了如下主要成绩：（1）理论分析了倍频过程提升脉冲信噪比问题，通过数值模拟计算验证了即使在高效倍频的情况下倍频过程依然具备“平方关系”提升脉冲信噪比能力。（2）研究了飞秒OPA产生种子光过程中的脉冲净化机理，特别指出闲置光脉冲信噪比正比于信号光和泵浦光的乘积，末级OPA应将种子光设计在闲置光波段。（3）提出并研究了OPCPA过程中一类前沿脉冲产生的新机理，即光学元件表面反射产生的后沿脉冲在OPCPA过程中会感应到脉冲前沿，影响压缩后脉冲的信噪比，因此需注意透过式元件的增透处理。（4）提出完善了倍频型级联OPCPA整体设计方案，并着重开展了实验验证平台的建立工作，获得了皮秒尺度信噪比>10e9的1μm波段激光输出，最后提出适用于大型激光装置的倍频型级联OPCPA技术。（5）发展了脉冲信噪比单次实时测量技术。针对脉冲信噪比的单次实时测量需求，我们整合了基于非谐波取样脉冲、特殊QPM晶体相关器、光线阵列/光电倍增管探测系统等一系列关键技术，实现了大窗口（50-100ps）、高动态范围（>10e9）的脉冲信噪比的单次实时高保真度测量，相关结果已应用于国家大型激光装置。. 课题执行期间，发表SCI学术论文11篇（其中6篇论文发表在Optics Letters、Optics Express、Laser Physics Letters等光学类国际重要期刊），授权国家发明专利2项（另有美国专利授权/申请3项），并在国内重要学术会议做口头报告1次。