Advanced Photonics | 单发四阶自相关仪

文章链接：

Peng Wang, Xiong Shen, Jun Liu, Ruxin Li. Single-shot fourth-order autocorrelator[J]. Advanced Photonics, 2019, 1(5): 056001

由于在激光粒子加速、实验室天体物理乃至真空极化等重大前沿科学研究领域的重要应用价值，近年来国际上拍瓦量级的超强超短激光得到了迅速发展。在实际应用中，除了聚焦功率密度以外，激光脉冲的时域对比度是超强超短激光最为重要的一个参量。因此，近十多年来国际上出现了等离子体镜、双CPA等系列脉冲对比度提升技术，将脉冲对比度提升到了10¹²量级。

然而，相比于激光脉冲对比度提升技术的快速发展，激光脉冲对比度单发测量技术则进展缓慢。很长时间以来，对比度测量主要采用三阶相关方法（TOAC）。由于是利用二阶非线性过程来获得取样光，取样光脉冲后沿相对较强的小脉冲会引入伪脉冲，影响测量保真度，并且受限于群速度失配，时间分辨率难以提升。采用这种方法，2014年报道了单发10¹⁰动态范围、50 ps时间窗口宽度、700 fs时间分辨率的最好结果。2017年出现的时间窗口扩展的自参考光谱干涉法（SRSI-ETE），时间分辨率可以到20 fs, 但其动态范围只有10⁸，且时间窗口宽度只有大约20 ps。

(a) 四阶自相关的装置简图；(b) 四阶自相关仪（虚线）和扫描式三阶自相关（实线）的测量结果对比。

针对现阶段不能同时实现高动态范围、高保真度、高时间分辨率，以及宽时间窗口的对比度单发测量国际难题，中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员提出了单发四阶自相关仪这一新型测量方法。该方法是先利用简并四波混频获取高对比度高能量的取样光，再与待测光在非线性晶体中大角度和频，获得自相关信号光，并使用简单的16位sCMOS相机进行采集。基于三阶非线性过程，获得了高对比度的取样光，提升了单发测量的保真度；同时，取样光和待测光波长相同，群速度失配不再是问题，结合sCOMS相机测量，大大提升了时间分辨率。原理验证实验表明，基于新方法的测量装置可同时实现10¹¹动态范围、 160 fs时间分辨率、65 ps时间窗口宽度，以及高保真度的对比度单发测量。装置也成功应用于拍瓦激光对比度的单发测量，其动态范围约为2×10¹⁰，时间分辨率为160 fs。相关研究成果发表于Advanced Photonics2019年第1卷第5期上。

单发四阶自相关仪可以实时测量每一发激光脉冲的对比度，这对于研究和优化目前已建成和在建的众多低频和单发运行的拍瓦激光系统的对比度性能，以及准确解释与对比度相关的物理实验现象等具有非常重要的意义。未来，通过增强相关信号光的强度，提升探测的灵敏度，以及结合前期所提出的对比度“先降低再测量”的新思路，装置的测量能力将得到进一步提升。

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