基于等离子体的激光调谐方法及系统

本公开涉及激光调谐，尤其涉及一种基于等离子体的激光调谐方法及系统。

背景技术：

1、飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒尺度(1-1000飞秒，1飞秒＝10-15秒)的脉冲激光。飞秒激光在物理、化学、生物、材料等领域都有着广泛的应用。例如，在物理领域，具有高峰值功率的飞秒激光可以与等离子体相互作用产生高能辐射源包括电子束、质子束、中子束以及x/γ射线等，进一步可以应用于辐射成像、电子衍射、实验室天体物理研究等方面；在化学领域，飞秒激光可实现化学反应过程的超快时间诊断，基于此发展出了超快光化学这一新兴领域；另外，飞秒激光与气体靶或者固体靶相互作用产生高次谐波也是人们目前获得阿秒级脉冲(1阿秒＝10-18秒)的方式之一，阿秒级的超短激光脉冲则是精细研究原子分子中的电子动力学过程的重要工具，在量子计算速度优化上具有重要作用。另外飞秒激光在材料加工、生物成像等领域也有广泛的应用。

2、飞秒激光推动上述领域发展的同时也极大地带动了飞秒激光的发展与建设，各个领域也对飞秒激光提出了各方面的需求，比如更高的激光能量，更短的脉冲宽度，频率可调谐(也即波长可调谐)等。其中激光频率(也即激光波长)在很多应用中都具有非常重要的影响，例如在研究物质的超快光化学过程中，众多的生物或者化学分子的吸收振动谱集中在2-14μm(微米)的中红外波段；在多光子成像应用方面，1.3μm和1.7μm波段是双光子和三光子成像的重要支撑；在强场物理以及高次谐波产生阿秒激光脉冲的应用方面，驱动激光的光强与波长的平方的乘积是一项重要的指标，为了获得更高阶次的高次谐波，在保持光强处于相当水平条件下，较长波长的驱动激光将带来显著效果。总的来说，飞秒激光越加广泛的应用散布在从近红外到中红外的区间，将这些需求归纳起来便是需要波长可连续调谐，并且具有高峰值功率的超强飞秒激光。

3、随着脉冲激光技术的发展，一系列包括调q(q-switch)、锁模等技术的出现，让激光脉冲宽度达到飞秒尺度，另外啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification，cpa)技术则将飞秒激光的峰值功率提升到相对论光强(1018w/cm2[瓦/平方厘米])甚至接近超相对论光强(1024w/cm2)水平，但是其频率调谐仍然具有很大局限性。

4、目前产生具有不同波长(也即不同频率)的飞秒激光的方式包括：采用具有特定发射波段的飞秒固体激光技术和非线性频率变换技术。其中，飞秒固体激光技术主要指掺钛蓝宝石激光、掺铬离子激光和掺镱激光。非线性率变换技术主要包括光参量产生、光参量振荡、光参量放大和差频产生等。然而，飞秒固体激光技术虽然可以产生高峰值功率的飞秒脉冲，但受限于晶体特性，其增益波长峰值处于很窄的区间，例如钛蓝宝石激光器的增益峰值波长在790-800nm(纳米)区间，掺铬离子激光器虽然不同的掺铬离子介质具有不同的发射波长，如cr3+:lisaf(800-1000nm)、cr3+:lisgaf(835nm)、cr4+:yag(1340-1580nm)等，但激光器一旦搭建完成则不可能通过更换晶体实现波长调谐；掺镱离子介质激光器的主要发射波长在941-975nm，由此可知虽然不同介质的飞秒固体激光可以实现波长略有差异的调谐输出，但不具备较大范围实现波长调谐的可能性，针对某一特定波长的应用需求，往往是通过研发新的增益晶体，来满足各种特定波长的调谐需求。以及，非线性频率变换技术虽然可以实现灵活的波长调谐，但是包括光参量产生、光参量振荡、光参量放大、差频产生等技术均只能产生脉冲能量在纳焦耳至微焦耳水平的低能量脉冲，难以产生在高能量脉冲，这极大限制了这类技术的应用范围。以上两项技术的组合技术如光参量啁啾脉冲放大技术等，虽然可以产生具有超高能量的激光脉冲同时进行小范围调谐，但仍然会受到增益晶体的限制从而在波长调谐范围上具有局限性。

5、相关研究发现基于强激光与等离子体作用可产生波长达到中红外波段的脉冲，其原理是利用峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别的飞秒激光，如钛蓝宝石激光，经过等离子体的作用便会产生部分红移实现波长调谐的脉冲输出。并且，等离子体作为没有击穿阈值的介质适合用于飞秒激光的激光调谐，来实现波长调谐和高能量脉冲输出。

6、虽然相关技术中可以利用飞秒激光与等离子体相互作用，直接产生波长可调谐的中红外脉冲，但其激光能量转换效率大约在1％水平，光子转换效率在12.5％水平；或者还可以利用双束超强飞秒激光与等离子体作用产生的波长在4μm附近的中红外脉冲，在不考虑驱动激光能量损耗情况下，其能量转换效率为30％，但是若考虑驱动激光的能量损失，其综合能量转换效率实际上不到3％，光子转换效率不到15％，另外双束飞秒激光也增加了激光调谐系统的复杂程度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种基于等离子体的激光调谐方法及系统，能够实现待调谐激光脉冲的准单色整体频移，具有光子及能量转换效率高、频率调谐范围广、兼容超高峰值功率激光脉冲、同时具有脉冲压缩效果。

2、根据本公开的一方面，提供了一种基于等离子体的激光调谐方法，包括：将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的密度和长度。

3、在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散；或，在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散；其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。

4、在一种可能的实现方式中，所述低密度等离子体包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；所述高密度等离子体包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。

5、在一种可能的实现方式中，在将待调谐激光脉冲射入具有所述第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；通过等离子体产生装置根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，分别产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及具有所述第二密度参数的第二等离子体。

6、在一种可能的实现方式中，在将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲。

7、在一种可能的实现方式中，在将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体之前，所述方法还包括：对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。

8、在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲包括：能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，所述尾波场包括多个等离子体空泡，所述等离子体空泡对形成尾波场的飞秒激光脉冲有频移作用；所述飞秒激光脉冲包括：峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别、脉冲宽度在飞秒尺度的激光脉冲。

9、在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述方法对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。

10、在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。

11、根据本公开的另一方面，提供了一种基于等离子体的激光调谐系统，包括：第一激光脉冲频移装置，用于将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；第二激光脉冲频移装置，用于将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的中心密度以及长度。

12、在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散；或，在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散；其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。

13、在一种可能的实现方式中，所述低密度等离子体包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；所述高密度等离子体包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。

14、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：控制装置，用于获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；等离子体产生装置，用于根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，向所述第一激光脉冲频移装置中产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及向所述第二激光脉冲频移装置中产生具有第二密度参数的第二等离子体。

15、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光压缩聚焦装置，用于对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲，并将所述待调谐激光脉冲传输至所述第一激光脉冲频移装置，以将所述待调谐激光脉冲射入所述第一等离子体。

16、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光聚焦装置，用于根据所述第二等离子体所需的聚焦光斑半径，对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲并将所述聚焦后的中间激光脉冲传输至所述第二激光脉冲频移装置，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。

17、在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一激光脉冲频移装置中的第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二激光脉冲频移装置中的第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。

18、在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述系统对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。

19、根据本公开的另一方面，提供了一种多级激光脉冲调谐系统，包括：激光脉冲产生装置，用于产生初始激光脉冲；以及，至少两个所述的激光脉冲调谐系统，用于对所述初始激光脉冲进行至少两级激光调谐。

20、根据本公开的实施例，通过利用不同密度参数的等离子体能够以线性啁啾色散形式，使第一等离子体作用后的中间激光脉冲具有线性啁啾特性，使第二等离子体作用后的目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即实现对待调谐激光脉冲进行分段线性频移，且两段频移的线性啁啾色散相反，从而可以使分段频移各自产生的频移量叠加后得到的目标激光脉冲前后各脉冲位置处的频率一致，也即实现待调谐激光脉冲整体频移的效果，且由于等离子体的密度参数是根据目标频率和激光参数所确定的，因此能够将待调谐激光脉冲整体调谐到所需的目标频率(也即目标波长)，从而能够支持大范围频段的频率调谐(也即波长调谐)，且具有高能量转换效率和光子转换效率，兼容超高脉冲能量输出目标激光脉冲，同时具有脉冲压缩效果。

21、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。