交叉偏振滤波技术提高飞秒超强激光信噪比的研究

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------交叉偏振滤波技术提高飞秒超强激光信噪比的研究刘成1，王兆华1，李伟昌2，刘峰1，魏志义?11中国科学院物理研究所光物理重点实验室，北京1001902国防科技大学应用物理系，长沙410073摘要：本文在对交叉偏振波滤波（XPW）技术理论分析的基础上，在“极光-III”装置中采用该技术进行了飞秒钛宝石激光装置中超强激光脉冲对比度提高的实验研究，不仅显著的抑制了纳秒范围内再生放

2、大器产生的预脉冲，而且也将皮秒范围内的信噪比由10-5提高到了10-7，实验测得基波到交叉偏振波的转化效率大于10%。结果表明，该技术可以有效地提高飞秒超强激光的信噪比。关键词：啁啾脉冲放大（CPA），激光脉冲信噪比，交叉偏振波（XPW）PACC：4260B4260F近年来，随着超快超强激光研究的快速发展，人们采用啁啾脉冲放大技术（Chirped-pulseAmplification,CPA）所能得到的激光峰值功率已经超过了拍瓦（Petawatt,PW）[1-2],基于钛宝石激光增益介质的CPA放大装置的峰值功率也已接近PW[3-5]。在这类激光装置中，由于选

3、单元件消光比的限制以及放大过程中的自发辐射效应（AmplifiedSpontaneousEmission,ASE）[6]等因素，不可避免的存在着背景噪声，而且随着为提高峰值功率而采用的放大级数的不断增多，这种背景噪声也将相应的增大，从而导致激光脉冲信噪比的下降。所谓脉冲信噪比，就是预脉冲以及各种背景噪声与主脉冲之间强度的比——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------------------------------------

4、-------------值。目前聚焦近PW钛宝石激光后人们所能得到的激光已经接近1023W/cm2量级[1]，如此高的峰值功率密度下，激光脉冲的信噪比对于强场物理实验而言就成为一个非常重要的参数。*资助课题.本工作得到国家重点基础研究发展计划项目（973，编号2007CB815104），国家自然科学基金（资助号：10804128）,国家高技术研究发展计划(863计划)及财政部综合极端平台项目的部分资助。?E-mail:wzhy@aphy.iphy.ac.cn虽然预脉冲和ASE的峰值功率密度比主脉冲要小几个数量级，但是经过多级放大之后，预脉冲的聚焦峰值功率密度

5、也可能达到1014-1015W/cm2，这样的峰值功率密度足以影响主激光脉冲与物质相互作用，破坏物理实验的条件。为了得到高信噪比的激光脉冲，国际上先后提出了许多技术方法，比如：高[8-9]能量种子注入技术[7]、光参量啁啾脉冲放大技术（OPCPA）、可饱和吸收体[10]、非线性偏振旋转技术[11-12]、等离子体镜技术[13]、交叉偏振波技术（Cross-polarizedWave，XPW）[14]等。在这些技术中，XPW结构相对简单，转化效率较高，提高信噪比明显，因此我们对这种技术进行了系统研究，并将其应用于“极光-III”激光装置中，用于提升输出激光的信噪

6、比。利用快响应二极管和高速示波器测量纳秒预脉冲，以及三阶互相关仪测量XPW滤波前后系统的皮秒级脉冲信噪比，结果表明XPW技术有效地抑制了纳秒预脉冲，并且将皮秒范围内的信——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------噪比由提高了两个数量级，达到10-7。1．交叉偏振波（XPW）技术的原理当激光功率密度达到一定强度时，线偏振激光的波矢沿着特定方向

7、经过非线性晶体后，其偏振方向会发生一定角度的旋转，由于偏振方向发生偏转而产生的与原来偏振方向垂直的波称之为为交叉偏振波（Cross-polarizedWave,XPW）。由于对强度的依赖效应，产生XPW所要求的功率密度一般应大于1012W/cm2，这样才能保证有较高的转化效率。如果在光路中放置一对正交的偏振片，主脉冲通过偏振片以后，由于功率密度相对较高，经过BaF2晶体之后偏振方向发生旋转，其正交偏振分量就会透过正交的偏振片而脉冲中的预脉冲和ASE成分由于峰值功率密度达不到产生XPW的阈值，不能发生此三阶非线性过程，偏振方向不发生偏转，因此不能透过正交的偏振片

8、，从而被过滤掉。基于这样一种原理，XP