级联倍频方法提高光参量啁啾脉冲放大系统输出信噪比研究

高能超短脉冲激光装置的发展为激光与物质相互作用的研究开拓了新的研究领域。要得到好的实验结果，高能超短脉冲必须具有高的信噪比，否则高的噪声本底会提前与靶作用产生预等离子体，而使脉冲主峰无法与靶发生预期的相互作用。光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术是进行宽带高能脉冲放大的重要途径，能进行时间窗口选择放大并能有效抑制预脉冲，从而提高主脉冲相对于预脉冲的信噪比。但OPCPA系统自身存在两大噪声源：参量荧光和泵浦光时间强度调制。参量荧光噪声源已有多种抑制手段。多项研究表明，泵浦脉冲时间强度调制已成为OPCPA系统信噪比降低的主要原因，值得广泛关注。而本项目针对目前尚难以解决的泵浦光时间强度调制问题提出了一种解决方法：应用级联倍频方法减小泵浦光时间强度调制，从而最终提高OPCPA系统输出信噪比。本项目将就这种方法的可行性进行理论和实验研究，为建造高信噪比OPCPA超短系统奠定理论和实验基础。

就提高OPCPA系统信噪比提出了一种平滑泵浦光脉冲噪声的新方法。由于OPCPA过程是一个瞬态参量增益过程，这个过程中，泵浦光脉冲上的时间调制会通过瞬态增益过程耦合到啁啾信号光的频谱上，而这种频谱上的调制在信号光压缩后会形成大的噪声本底，从而降低OPCPA系统的信噪比。级联倍频方式可在提高倍频输出稳定性的同时减小泵浦脉冲上的时间调制。就级联倍频系统，先后发展了两套设计理论，第一种是基于第一块晶体角度调谐实现弱倍频种子光产生的级联倍频系统设计方案，但这种方案中需要对倍频晶体的失配角进行精确调节，角度调谐精度要求高，比较难以实现，因而进一步发展了调谐两块非线性晶体之间空气间距的级联倍频系统设计方法，这种方案中只需精确调节两块倍频晶体之间的空气隙长度，而该长度是借助光栅尺等工具是能够精确测试和调节的，因而这种方案降低了级联倍频系统实现稳定倍频输出和减小脉冲时间调制的实现难度。. 在对两种级联倍频方案进行分析、模拟计算研究的基础上，对应用级联倍频系统实现泵浦光脉冲时间调制减弱、OPCPA系统信噪比提高进行了模拟分析。模拟分析结果表明：级联倍频系统在稳定倍频输出时，能极大的减小泵浦光脉冲上的时间调制；泵浦光脉冲上的时间调制减小后，能明显提高OPCPA系统的信噪比，结算结果表明能提高4到5个量级。. 对级联倍频系统进行了验证实验，实验结果表明级联倍频方案提高了倍频输出稳定性，同时减小了脉冲波形上的时间调制。实验结果与理论模拟结果非常吻合，不但验证了本项目关于所建立的理论分析模型是正确的，而且也验证了本项目提出的级联倍频方案通过实现稳定倍频输出，减小泵浦光脉冲波形上的起伏调制，从而减小OPCPA过程中信号光谱所受到的起伏调制，最终实现OPCPA系统信噪比提高的思路是可行的。