利用克尔介质中的自衍射效应净化飞秒超强激光脉冲的研究

超短超强激光脉冲为人类提供了前所未有的全新的实验手段和极端的物理条件，在强激光实验室天体物理、强激光电子和质子加速器、激光等离子物理等重大前沿基础科学研究领域有着重要应用。随着拍瓦量级的飞秒超短超强激光系统的出现，激光脉冲的时域对比度已经成为关系此研究领域发展的一个关键问题。鉴于目前的脉冲净化方法对于飞秒激光脉冲对比度提升的瓶颈（只能提升4-5个数量级）。本项目研究利用克尔透明介质中的自衍射效应这一新颖方法来净化飞秒激光脉冲。在这项研究中，我们将首先对自衍射过程中各种光学参量之间的相互依赖关系和变化特性进行详细的理论分析与实验研究。探索这种脉冲净化方法中减少克尔介质散射的影响、提高能量转换效率和补偿自衍射光角色散的方法。最后，研究利用此方法将飞秒激光脉冲时域对比度提高6个数量级以上，并应用于钛宝石激光放大系统，获得高于10的12次方超高对比度的超短超强激光脉冲。

近年来，随着超强超短激光技术的发展，国内外多个研究单位都了拍瓦量级的激光输出。然而，在实际的激光核聚变快点火，激光粒子加速等强场激光物理的前沿应用研究中，除了需要高的激光峰值功率和光强以外，对比度也是一个非常重要的参量。可以说目前对比度问题是阻碍强场激光物理发展的主要障碍之一。因为，对比度太低的超强超短激光的前沿预脉冲就足够强，从而可能在主脉冲到达之前就破坏靶材，严重影响实验结果。.本项目我们针对我们最新提出的克尔介质中的自衍射效应（SD）提高对比度的方法进行了深入的研究。相比于最为流行的XPW三阶非线性方法，SD方法不需要偏振光学元件来分离净化的激光，因此对比度提高不受限与偏振元件的消光比。实验中，我们在自衍射信号光的角色散补偿、能量提升、对比度提升，和转换效率提升等几个重要问题上进行了研究，并取得了重要进展。同时我们还拓展这种净化的自衍射信号光应用到多色飞秒激光产生、自参考光谱干涉（SRSI）方法的飞秒激光形状宽度测量，以及脉冲对比度单发测量上。.这些重要结果包括：1）通过在一束入射光的光路中增加一块合适的棱镜进行角色散预补偿，我们获得了角色散补偿的自衍射信号光。2）通过采用柱面反射镜聚焦的方法，我们将自衍射效应从几十微焦耳提高到了数毫焦耳量级，并且获得了大于200微焦耳的净化的1011（受限于测量仪器）的自衍射光。采用表面超光滑的镜片和降低入射光强，我们单级可以获得6-7个数量级的对比度提升。并且通过采用2:1的分束片，我们的单边能量转换效率提高到7%以上。3）我们将这种净化的自衍射光拓展应用到了SRSI飞秒脉冲测量上，已经研制出仪器样机和相应的测量软件，这对于打破我国在飞秒测量这一高端仪器长期依赖进口的局面具有重要意义。4）我们还将这一四波混频过程拓展到了非简并的情况，并且得到了高能量的多色飞秒激光输出，这种同时净化的多色飞秒激光将在飞秒激光光谱学等研究领域发挥重要作用。. 总的说来，经过四年的努力，我们在自衍射提高对比度中的四个核心问题：角色散问题，效率问题，能量提高和对比度提升的问题上取得了重大的进展。不仅很好地完成了项目计划中预期达到的各项研究任务和成果指标，我们还将这种自衍射方法获得的高对比度自衍射光拓展应用到了自参考光谱干涉方法的飞秒脉冲测量上、对比度单发测量，以及多色飞秒激光产生上。