激光脉冲时域对比度增强方法及系统

本公开涉及激光，尤其涉及一种激光脉冲时域对比度增强方法及系统。

背景技术：

1、自啁啾脉冲放大技术(chirped-pulse amplification，简称cpa)提出以来，极大推动了超短超强激光器的发展，超短超强激光器产生的超短超强激光脉冲的聚焦光强已超过早已超过1018w/cm2。这使得超短超强脉冲激光与物质的相互作用已经进入到相对论区间，可以实现电子、质子和离子的加速，以及产生x/γ射线、中红外脉冲、太赫兹、高次谐波等应用。然而随着聚焦光强的提升，超短超强脉冲激光的时域对比度问题将日益突显，这是因为与超短超强激光脉冲进行相互作用的物质，典型的如固体靶，存在电离阈值，即当入射激光的聚焦光强超过电离阈值后可电离靶分子或原子，常见物质的电离阈值普遍在1011-12w/cm2量级。同时，由于超短超强激光器中谐振腔结构在实现激光增益的过程也引入了自发辐射，腔镜间的多次反射也可能形成前后有时间差的多个脉冲，使超短超强激光器产生的超短超强激光脉冲伴随有脉冲前沿的预脉冲以及自发辐射等噪声。这些激光前沿的预脉冲以及自发辐射等噪声与主脉冲之间的峰值光强之比也就是激光脉冲的时域对比度，时域对比度是衡量激光脉冲在时域分布上的干净程度的指标，其可以定义为预脉冲的峰值光强与主脉冲的峰值光强之比激光脉冲的时域对比度越高，代表激光脉冲在时域分布上越干净，也即激光脉冲中的预脉冲与自发辐射等噪声越少。

2、由于超短超强激光脉冲的聚焦峰值可达到1023w/cm2以上，若超短超强激光脉冲的时域对比度较低，超短超强激光脉冲中的预脉冲的聚焦光强很可能超过靶材的电离阈值，这样处于脉冲前沿的预脉冲会提前电离靶材，从而破坏主脉冲与靶材间的相互作用，进而影响所得结果。为了不影响主脉冲与靶体的相互作用，预脉冲的聚焦光强需要控制在1012w/cm2以下，即要求激光脉冲的时域对比度达到1011以上。此外，在主脉冲前沿什么时间尺度达到较高时域对比度也是关键。受限于激光器自发辐射等因素限制，越靠近主脉冲越难实现提高时域对比度。目前，在主脉冲前沿数皮秒量级达到1010的时域对比度仍然具有很大的难度。然而，就激光脉冲与物质间的相互作用的物理过程而言，特别是与厚度在纳米级别的超薄靶体的相互作用条件下，若要不影响主脉冲与靶体的相互作用过程，需要在主脉冲前沿飞秒级别的时间尺度达到超高时域对比度。

3、目前，现有的用于增强脉冲激光时域对比度的技术，主要包括交叉偏振滤波技术(xpw)、等离子体镜技术、超短脉冲泵浦光参量放大等。其中，交叉偏振滤波技术主要利用了晶体的三阶非线性效应，在一些晶体中，当入射激光的强度达到一定阈值时，其偏振方向将出现旋转。由于该过程与光强相关，而预脉冲光强显著低于主脉冲，调整合适的光强，可使主脉冲偏振方向旋转90度而预脉冲偏振方向保持不变，在入射端和出射端分别放置正交的偏振元件，便可过滤掉预脉冲，从而实现时域对比度的提升。但这种凡是的激光能量损失较多，也即能量转换效率较低(普遍在30％以下)、时域对比度提升效果受偏振元件的选偏效率限制，此外，在该过程中激光脉冲需要穿透晶体介质(常见如氟化钡baf2)，这也限制了更大功率激光的应用，目前该项技术主要用于单脉冲能量在毫焦级别的激光脉冲的时域对比度提升。等离子体镜技术是一种末端对比度提升技术，其原理是将激光脉冲聚焦到透明物体表面，通过控制物理表面的光斑尺寸实现对表面光强的控制，以达到预脉冲聚焦光强达到物体的电离阈值并电离出大量等离子体，当等离子体密度超过临界密度，此时主脉冲将被反射，而预脉冲将透过，从而使反射的主脉冲具有高时域对比度。但这种技术中主脉冲的反射与等离子体镜表面的光强控制关系密切，在极端情况下，主脉冲可能与预脉冲一起透过等离子体镜而一无所获，另外这项技术对于主脉冲纵向分布往往具有破坏性。超短脉冲泵浦光参量放大技术主要是抑制激光脉冲的自发辐射，光参量技术的荧光弛豫时间与泵浦激光脉宽相当，因此使用超短脉宽的泵浦光，便可将参量荧光控制在皮秒甚至飞秒量级，从而实现主脉冲前沿更近尺度的时域对比度提升。但该项技术的结构复杂，对泵浦光的脉宽要求很高，需要使用皮秒甚至飞秒尺度的泵浦光，这本身已经可算是一套超短脉冲激光器。且受限于超短的泵浦能量限制，该项技术主要用于前端低脉冲能量情况下的时域对比度提升，其他如光参量啁啾脉冲放大技术(opcpa)，与超短脉冲泵浦光参量放大原理基本类似，主要区别在于其结合了啁啾脉冲放大技术，实现了高功率输出，为了实现提高时域对比度，其使用的泵浦光也主要在皮秒尺度。

4、即便综合利用上述各项技术，如结合xpw技术和超短脉冲泵浦光参量技术，结合xpw技术、opcpa技术和等离子体镜技术，在拍瓦级别以上的超强激光脉冲的时域对比度的提升效果也有限，仅能在主脉冲前沿最近2-3皮秒尺度最高达到1012的时域对比度，这相比未优化前仅增强了4个数量级，也难以实现飞秒尺度下的时域对比度增强。因此，如何有效提升超短超强激光脉冲的时域对比度以满足物理研究需求是超短超强激光技术需要解决的问题，其重要性随着超短超强激光脉冲的聚焦光强的提升而愈加突出。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种激光脉冲时域对比度增强方法及系统，能够实现在激光脉冲前沿最近达飞秒尺度提升激光脉冲的时域对比度、结构简单、成本较低、较低能量损失、不破坏激光脉冲分布、可适用于超高峰值功率激光脉冲的时域对比度提升。

2、根据本公开的一方面，提供了一种激光脉冲时域对比度增强方法，包括：利用与待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数相匹配的目标等离子体，对所述待增强激光脉冲的主脉冲进行频移，得到频移激光脉冲，其中，所述频移激光脉冲的主脉冲频率与所述频移激光脉冲的预脉冲频率不同；利用至少一个滤波反射镜，过滤掉所述频移激光脉冲的预脉冲，得到对比度增强的目标激光脉冲，其中，所述滤波反射镜的通带覆盖所述频移激光脉冲的主脉冲频率，所述滤波反射镜的阻带覆盖所述频移激光脉冲的预脉冲频率；所述滤波反射镜的通带的反射率高于所述滤波反射镜的阻带的反射率。

3、在一种可能的实现方式中，所述目标等离子体包括：具有第一密度参数的第一等离子体以及具有第二密度参数的第二等离子体；所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数以及所述待增强激光脉冲的主脉冲所频移到的目标频率所确定的，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以及长度，所述脉冲参数包括以下至少一种：光强、脉宽、聚焦光斑半径；其中，所述利用与待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数相匹配的目标等离子体，对所述待增强激光脉冲的主脉冲进行频移，得到频移激光脉冲，包括：将所述待增强激光脉冲射入所述具有第一密度参数的第一等离子体，得到主脉冲部分频移到所述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增强激光脉冲的主脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲的主脉冲具有线性啁啾特性；将所述中间激光脉冲射入所述具有第二密度参数的第二等离子体，得到主脉冲整体频移到所述目标频率的频移激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲的主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，所述频移激光脉冲的主脉冲具有无啁啾特性。

4、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增强激光脉冲的主脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲的主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的主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增强激光脉冲的主脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲的主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的主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脉冲头部到脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从脉冲头部到脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从脉冲头部到脉冲尾部的频率一致。

5、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。

6、在一种可能的实现方式中，所述利用至少一个滤波反射镜，过滤掉所述频移激光脉冲的预脉冲，得到目标激光脉冲，包括：对所述频移激光脉冲进行准直，得到准直后的频移激光脉冲；利用至少一个滤波反射镜，过滤掉所述准直后的频移激光脉冲的预脉冲，得到目标激光脉冲；其中，所述滤波反射镜包括带通反射镜、低通反射镜中的至少一种。

7、在一种可能的实现方式中，在利用与待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数相匹配的目标等离子体，对所述待增强激光脉冲的主脉冲进行频移之前，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与聚焦，得到压缩聚焦后的所述待增强激光脉冲。

8、在一种可能的实现方式中，所述待增强激光脉冲包括：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，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。

9、根据本公开的另一方面，提供了一种激光脉冲时域对比度增强系统，包括：等离子体变频模块，用于利用与待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数相匹配的目标等离子体，对所述待增强激光脉冲的主脉冲进行频移，得到频移激光脉冲，其中，所述频移激光脉冲的主脉冲频率与所述频移激光脉冲的预脉冲频率不同；反射镜滤波模块，包括至少一个滤波反射镜，所述滤波反射镜用于过滤掉所述频移激光脉冲的预脉冲，得到对比度增强的目标激光脉冲，其中，所述滤波反射镜的通带覆盖所述频移激光脉冲的主脉冲频率，所述滤波反射镜的阻带覆盖所述频移激光脉冲的预脉冲频率；所述滤波反射镜的通带的反射率高于所述滤波反射镜的阻带的反射率。

10、在一种可能的实现方式中，所述目标等离子体包括：具有第一密度参数的第一等离子体以及具有第二密度参数的第二等离子体；所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数以及所述待增强激光脉冲的主脉冲所频移到的目标频率所确定的，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以及长度，所述脉冲参数包括以下至少一种：光强、脉宽、聚焦光斑半径；其中，所述利用与待增强激光脉冲的主脉冲的脉冲参数相匹配的目标等离子体，对所述待增强激光脉冲的主脉冲进行频移，得到频移激光脉冲，包括：将所述待增强激光脉冲射入所述具有第一密度参数的第一等离子体，得到主脉冲部分频移到所述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增强激光脉冲的主脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲的主脉冲具有线性啁啾特性；将所述中间激光脉冲射入所述具有第二密度参数的第二等离子体，得到主脉冲整体频移到所述目标频率的频移激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲的主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，所述频移激光脉冲的主脉冲具有无啁啾特性。

11、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增强激光脉冲的主脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲的主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的主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增强激光脉冲的主脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲的主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的主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脉冲头部到脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从脉冲头部到脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从脉冲头部到脉冲尾部的频率一致。

12、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。

13、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光准直模块，用于对所述频移激光脉冲进行准直，得到准直后的频移激光脉冲；所述反射镜滤波模块还用于：利用至少一个滤波反射镜，过滤掉所述准直后的频移激光脉冲的预脉冲，得到目标激光脉冲；其中，所述滤波反射镜包括带通反射镜、低通反射镜中的至少一种。

14、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光脉冲产生模块，用于产生初始激光脉冲；激光压缩聚焦模块，用于对所述初始激光脉冲进行压缩与聚焦，得到压缩聚焦后的所述待增强激光脉冲。

15、在一种可能的实现方式中，所述待增强激光脉冲包括：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，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。

16、根据本公开的实施例，能够基于目标等离子体，在频率属性上分离待增强激光脉冲中的主脉冲和预脉冲，进而利用滤波反射镜过滤掉频移激光脉冲中的预脉冲，使过滤后的目标激光脉冲中主要包含主脉冲，从而实现待增强激光脉冲的时域对比度增强，具有结构简单、成本低廉、高能量转换效率、可实现脉冲前沿飞秒尺度下的时域对比度提升、且不破坏主脉冲分布、可适用于超高超强激光脉冲的时域对比度提升。

17、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。