强激光新型参量放大中的时空畸变与相干噪声问题研究

State-of-the-art strong-field physics experiments nowadays are mainly launched with petawatt-scale lasers produced from Ti:Sapphire chirped-pulse amplification system. Optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) presents as a promising approach to overcome the petawatt barrier. Nevertheless, traditional OPCPA are inherently susceptible to spatiotemporal distortions of signal pulse as well as the introduction of coherent noise, which prevents to achieve the best spatiotemporal compression/focusing and degrades the pulse contrast, respectively. The issues of spatiotemporal distortions and coherent noise remain unsolved and do limit the use of PW-scale OPCPA lasers in strong-field physics experiments. In this project, we propose to supress the spatiotemporal distortions relying on quasi-parametric amplification (QPA) technology, and filtrate coherent noise relying on an amplification environment of “ω-x coupling”. We theoretically study the production and evolution of spatiotemporal coherent noise in the “ω-x coupling” pulse environment, in comparison with the case in traditional chirped-pulse environment (i.e. “ω-t coupling” ). Besides, the effect of QPA on the suppression of spatiotemporal distortion on signal pulse is investigated with a controlled comparison with the case in traditional OPCPA. Furthermore, a brand-new parametric amplification system that integrates the QPA technology and “ω-x coupling” pulse environment is built up, where the suppression of spatiotemporal distortions and filtering of coherent noise results are experimentally verified. This project will provide new perspectives and important bases for the future development of ideal parametric-amplification technology.

当前的强场物理实验研究依赖于拍瓦级钛宝石啁啾脉冲放大系统。光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)方式理论上可支持更高的峰值功率。然而，传统OPCPA放大不可避免地伴生出信号光的时空畸变与相干噪声，前者影响最佳的脉冲压缩和光束聚焦，后者破坏皮秒尺度的脉冲信噪比。这两个未解决的关键问题制约了拍瓦级OPCPA强激光系统正常开展强场物理实验。本申请项目根据参量放大中的时空畸变与相干噪声产生机理，创新性地提出了基于准参量放大(QPA)抑制时空畸变和基于ω-x耦合环境滤除相干噪声的新思路。对比传统强激光放大的啁啾脉冲环境(ω-t耦合)，理论研究ω-x耦合对放大器相干噪声特性的影响；对比传统OPCPA，理论研究QPA对时空畸变的抑制作用；构建集成了QPA和ω-x耦合的新型参量放大系统，实验验证其对抑制时空畸变和滤除相干噪声的综合效果。本项申请将为下一步发展理想的强激光参量放大技术提供新视角和研究基础。

超短超强激光是探索极端物质状态下科学未知、支撑国家安全和未来聚变能源的国际性战略高技术。在突破十拍瓦峰值功率的基础上，我国正在积极推进百拍瓦极端强场激光计划，旨在产生超相对论性光场（>10^23W/cm^2）驱动量子电动力学（QED）等前沿科学探索。这些重大研究计划对超短超强激光的放大能力和质量水平提出了紧迫性关键挑战。对比传统的钛宝石啁啾脉冲放大（CPA）技术路线，光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）的增益带宽更大，并可吸纳超大口径的DKDP晶体，理论上具备产生百拍瓦激光的放大能力。然而，国际上至今尚未有实际运行的OPCPA拍瓦激光装置。究其根本原因，“光参量”型OPCPA不同于“非参量”型CPA钛宝石放大，导致“信号”和“噪声”两方面均存在着技术瓶颈: ①信号脉冲在传输放大过程中发生时空耦合畸变，导致时空无法同时聚焦，最终无法获得理想的聚焦光强；② 啁啾脉冲在光参量放大过程中引入多种类的相干噪声，破坏输出脉冲的时域信噪比，进而破坏强激光与物质相互作用的强场物理实验效果。这两个核心问题导致OPCPA在增益、带宽和口径等放大能力上的潜在优势无法兑现为聚焦光强和信噪比的实际提升。. 本课题针对上述两个核心问题，探索研究可抑制信号光时空畸变与相干噪声的新型参量放大方案。创新提出并验证了基于“ω-x耦合”的放大环境（替代传统ωt耦合的啁啾环境）可有效抑制多类相干噪声；基于“准参量放大”可同时抑制时空畸变与相干噪声。以当前OPCPA系统由展宽压缩器光学元件表面粗糙度（RMS典型值0.3nm）所引入的时空相干噪声为例，这部分噪声使得超短超强激光装置输出脉冲前沿10ps位置的信噪比低于70dB，但使用“ω-x耦合”的放大环境后，信噪比可提升4个数量级，达到110dB。此外，本课题验证了准参量放大方案的非参量饱和行为对相干噪声具有显著的抑制效果，将皮秒时间尺度的脉冲信噪比提升~3个数量级；与此同时可抑制饱和放大区输出信号光的高阶时空耦合畸变，使得输出光束的斯特涅尔比由低于0.7提升至0.95以上（理想值为1）。本课题的研究成果为破解超高功率OPCPA技术瓶颈提供新视角和研究基础。