基于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification ，CPA)技术，超短高功率激光脉冲可以达到1022 W / cm2。但由于激光和固体之间不可避免的相互作用，受激光脉冲时间分布的影响很大。通常在主峰值脉冲之前有三种类型的噪声源：由高增益放大器产生的自发辐射放大(amplified spontaneous emission ,ASE);激光在传播过程中产生光谱畸变引起的脉冲分裂，以及激光链中的非理想光学元件泄漏光束而产生的预脉冲。

本文介绍了使用等离子体镜改善激光脉冲时间对比度（定义为激光脉冲中主脉冲的峰值强度与预脉冲峰值强度的比值）的方案：将聚焦的强激光脉冲打到一个透明靶（一般为镀膜玻璃）上时，如果峰值功率超过该靶材的损伤阔值，那么靶表面会被电离形成等离子体。当等离子的密度超过临界电子密度后，靶表面对入射激光的反射率会变得很高，激光脉冲的主峰及后沿会被反射，而低强度的前沿不会被反射，如图1所示。这种快速的等离子体开关适合用来压缩脉冲前沿，提高前沿对比度。等离子体镜对信噪比的提升效果取决于等离子体反射率与表面菲涅尔反射率的比值，降低靶材表面菲涅尔反射可以提高对比度的提升效果，为此靶材表面需要锻膜（入射光为S偏振）或激光以布儒斯特角入射（入射光为P偏振），此时等离子体镜可Ｗ将前沿对比度提升２-３个数量级。该技术最大的优点是可用在激光放大系统的最后，允许的输入能量很高，它的使用不会干扰放大光路。

图 1

实验光路如图2所示。激光脉冲能量为1.8×0.1 J，脉冲的半高宽度(FWHM)为25 fs。

图 2

采用f/10离轴抛物反射镜(off-axis parabola,OAP1)将水平偏振光聚焦在反折射抛光石英玻璃(PM)上，入射角为10°，PM预电离反射率小于0.5%。通过改变PM表面光束尺寸，光强I_PM可以从2×1014变至2.6×1016 W/ cm2，从而控制低于电离阈值的ASE和预脉冲的传输与否。在PM之后，镜面反射的发散光束被另一个相同的离轴抛物反射镜(OAP2)重新校准，并由高反射介质镜(M2)反射到目标腔。

用两个反射镜(P1和P2)对主光束分束，分别采样并进行对比度测量。使用光电二极管(PD)、基于示波器的纳秒对比度测量装置和高动态范围三阶互相关器(Sequoia，Amplitude Technologies)来同时表征预脉冲和ASE强度。预脉冲采样光束被分束器(BS)进一步分离，对其中一束光做衰减并延迟30 ns。然后将两个光束重叠用PD检测。PD的上升时间为1 ns，示波器的带宽为500 MHz。将校准后的滤波器插入反射光束中来测量两束激光的相对能量。通过改变光电倍增管检测器上的电压并使用滤光片，可以获得亚纳秒时间尺度的ASE强度信号。为了增加动态范围，将玻璃插入光束中，然后可以通过ASE强度与经过玻璃的后脉冲的比率来校准ASE强度与主脉冲的比率。使用f /15消色差非球面透镜(L2)聚焦经过M2的透射光束。将CCD相机放置在L2的焦平面中，测量远场分布。通过使用两个量热计EM1和EM2记录来自M1和M2的泄漏光束能量来测量PM的通过量。热量计EM3用于校准EM1和EM2。

用OAP3将激光脉冲聚焦到目标靶上，激光峰值强度为5.8×1019W / cm²。采用Thomson抛物线光谱仪(TP-Spec)测量激光脉冲加速的离子束的能量和电荷分布。

图 3

图3(a)和3(b)分别为I_PM = 2.3×1015 W / cm2时的预脉冲及ASE。在主脉冲之前，对比率在几百纳秒到6 纳秒之间，优于10-7。当接近主脉冲时，对比率迅速增大。-30 ns处的峰值是来自参考传输臂的衰减主脉冲，与0 ns处的激光峰值相比，衰减因子为2×10-6。在没有使用PM的情况下在21ns和-10ns处测量到两个预脉冲，这是由主放大器中高反射镜上的散射光引起的。两个预脉冲的时间对比度分别为3×10-6和1×10-5。使用PM后，两个预脉冲显着降低到低于噪声水平(<10-7)。在主峰之前，初始ASE对比度为10-8至10 ps，使用PM后将其提高100倍至10-10。

图4为反射激光脉冲的远场分布。图4(a)为当激光打在PM的Ag涂覆区域并且激光能量低于其电离阈值时的情况，即没有使用PM的初始激光远场。观察到具有接近高斯分布的分布。图4(b)和图4(c)分别对应于I_PM =9.5×1014 W / cm2和I_PM = 2.3×1015 W / cm2。当I_PM 增大时，远场会强烈扭曲。图4(d)所示为I_PM

= 2.6×1016W / cm2的能量分布。

图 4

来自< Characterization and application of plasma mirror for ultra-intense femtosecond lasers>

<A study on new technologies of single-shot cross-correlator for measuring pulse contrast>