[发明专利]用于激光脉冲对比度测量的四阶自相关仪

说明书

一种用于激光脉冲对比度测量的四阶自相关仪，包括分束片、基于简并三阶非线性取样光产生装置、自相关装置、数据采集与处理装置，本发明通过获得四阶自相关信号光来表征脉冲的对比度信息，避免待测脉冲后延小脉冲给自相关过程引入的测量误差；同时由于是自相关过程，有效避免了群速度失配给测量时间分辨率带来的限制，这种四阶自相关仪可以为具有高对比度激光脉冲的对比度提升和应用研究提供重要的测量支持。

技术领域

本发明涉及激光脉冲,特别是一种用于激光脉冲对比度测量的四阶自相关仪。

背景技术

随着CPA和OPCPA的发展，飞秒激光脉冲的功率已经可以达到10PW，同时各国也都相继提出建设百PW级别激光装置的计划，其聚焦强度可能达到10²³W/cm²量级，如此的高能量激光装置在激光粒子加速、实验室天体物理以及等离子体物理等重大前沿科学研究领域具有重要的应用。对于这样的高能量激光脉冲，其时域对比度信息将是一个非常重要的参数,这是因为在激光脉冲与靶材相互作用的过程，如果前沿小脉冲的聚焦强度超过10⁹W/cm²时，它将在主脉冲到达物质前与物质相互作用产生预等离子体，从而破坏主脉冲与物质相互作用的条件，并影响所得到的结果。激光脉冲的对比度是如此的重要，受到研究人员的广泛关注，而激光脉冲时域对比度的测量是研究对比度提升以及对比度对物理实验影响的第一步。

对于激光脉冲对比度的测量，由于高能量激光脉冲的超快特性(飞秒量级)，普通的光电转换器件是无法对其直接测量的，但是我们可以通过测量激光的自相关信号光的强度，从而反推出激光脉冲的时域对比度信息。最早的是利用二阶自相关来获得脉冲的时域强度分布，二阶自相关的强度可以表示为其中τ为时间延迟，然而对于二阶自相关有一个缺点，二阶自相关信号是关于时间延迟τ对称的，因而无法分辨出脉冲前沿与脉冲后沿的；为了区分脉冲的前后沿，后来发展了三阶互相关仪，其实现方法是待测光首先经过二阶非线性过程获得倍频光，然后再通过二阶非线性和频最终获得三阶互相关信号光；虽然这样可以区分出脉冲前后沿，但是三阶互相关存在以下两个问题：

(1)取样光是通过倍频过程获得，对比度的提升是平方关系，对脉冲的净化能力有限；比如如果待测光脉冲后沿有个10^-4量级的小脉冲，通过互相关过程，它将给获得的互相关信号光在脉冲前沿引入10^-8的小脉冲，从而引入测量误差；

(2)取样光和待测光的中心波长差异大，因而群速度失配将会限制其分辨率的提升。

为了同时解决二阶自相关以及三阶互相关所存在的问题，我们发明了四阶自相关仪，四阶自相关信号光的强度可以表示为其取样光是通过简并四波混频过程获取的，对于对比度的提升效果是立方关系，因而脉冲时域更干净，脉冲测量准确度更高；同时由于和待测光的中心波长一样，群速度失配将不再是限制分辨率的问题。

发明内容

本发明提供一种用于激光脉冲对比度测量的四阶自相关仪，从而可以实现脉冲的对比度的高保真度和高分辨率测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于激光脉冲对比度测量的四阶自相关仪，特点在于其构成包括分束片、基于简并三阶非线性取样光产生装置、自相关装置、数据采集与处理装置，上述元部件的位置关系如下：

入射光经过所述的分束片分成反射光和透射光，所述的反射光作为待测光，所述的透射光经过所述的基于简并三阶非线性取样光产生装置获得高能量高对比度的取样光，所述的待测光和取样光在所述的自相关装置中相互作用获得四阶自相关信号光，所述的四阶自相关信号光被所述的数据采集与处理装置接收处理，获得所述待测光的对比度信息。

所述的基于简并三阶非线性取样光产生装置，可以利用交叉偏振波产生、自衍射，以及瞬态光栅等简并四波混频过程来实现，所获得取样光的中心频率与入射光的中心频率一致，而且对比度理论上是入射光对比度的三次方。