基于激光成丝效应的拍瓦级激光系统纳秒尺度脉冲对比度增强测量技术研究

为解决拍瓦(PW)级激光系统中纳秒尺度预脉冲导致的等离子体膨胀问题，中国科学院上海光学精密机械研究所团队创新性地提出基于水介质激光成丝的非线性衰减方法。该研究实现了主脉冲40倍衰减的同时保持10–5以下预脉冲无衰减，动态范围达109-1010，解决了传统光电二极管易损毁难题，为高能激光系统提供了可靠的时域对比度诊断方案。

　　

在探索极端物理条件的前沿科学中，拍瓦(PW)级激光系统已成为惯性约束聚变(ICF)和实验室天体物理研究的核心工具。然而，纳秒尺度上即使10¹² W/cm²量级的预脉冲也会引发靶材表面预等离子体，严重影响主脉冲的能量耦合效率。当前脉冲对比度测量面临三大困境：传统光电二极管易被高能主脉冲损毁、非线性衰减技术动态范围不足、商用交叉相关器存在校准偏差。这些瓶颈严重制约着高能密度物理实验的可靠性。

中国科学院上海光学精密机械研究所(SIOM)的Ke Hou团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的研究中，创新性地利用水介质中的激光成丝效应，构建了兼具高动态范围与探测器保护功能的测量体系。研究团队通过建立迈克尔逊型光学校准平台，结合激光诱导非线性衰减机制，系统解决了纳秒尺度噪声测量的技术难题。关键技术包括：基于Kerr效应的自聚焦非线性衰减模型、可调谐预脉冲延迟校准系统（精度达0.1 ps）、以及抗损伤光电二极管保护模块。

非线性衰减机制研究
通过理论模拟和实验验证，发现当激光强度超过3×10¹³ W/cm²时，水介质中产生的等离子体细丝可实现对主脉冲40倍的强度筛选。关键突破在于等离子体临界密度(10²¹ cm^–3)与预脉冲强度的阈值效应，确保10^–5以下弱信号无失真传输。

高精度校准平台开发
设计的迈克尔逊干涉结构集成步进电机延迟线（分辨率1 μm）和可调衰减器（动态范围10⁸），通过精确控制预脉冲时延（±0.3 ps）和强度比，实现了系统级校准误差<±1.2 dB的突破性指标。

SG-II装置实测验证
在SG-II皮秒PW装置上对比两种光路配置时，测得对比度差异达两个数量级，与理论预测高度吻合。交叉验证显示，相比商用相关器，该方案在10^–9量级的弱信号检测中具有更优的信噪比。

这项研究标志着高能激光时域诊断技术的重大进步：首先，水介质成丝方案将探测器寿命延长7千发次以上（灵敏度保持60%），解决了行业痛点；其次，10¹⁰动态范围的实现为100-PW级装置建设提供了关键测量基准；更重要的是，所揭示的光路配置敏感性为激光系统优化设计提供了新依据。该成果不仅适用于现有PW设施，对正在发展的艾瓦(EW)级激光系统同样具有前瞻性指导价值。