近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在超短脈沖激光時(shí)空特性調(diào)控提升研究方面取得新進(jìn)展。高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室朱健強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)與以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)Arie Zigler教授合作，提出一種新型重頻超短脈沖激光時(shí)空信噪比提升技術(shù)——等離子體透鏡時(shí)空濾波技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)的提升效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相關(guān)成果于4月15日發(fā)表于《光學(xué)快報(bào)》(Optics Letters)。

圖1 等離子體透鏡時(shí)空濾波器原理圖

圖2 等離子體透鏡時(shí)空濾波器信噪比提升實(shí)驗(yàn)效果

高功率超短脈沖激光已日益成為各類研究領(lǐng)域的重要工具。其中信噪比是超短脈沖激光的重要特性之一，信噪比較差的脈沖具有較強(qiáng)的前沿噪聲，會(huì)導(dǎo)致靶上預(yù)等離子產(chǎn)生，破壞激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程。因此超短脈沖的信噪比性能提升至關(guān)重要。

空間濾波是一種采用濾波處理的影像增強(qiáng)方法。其理論基礎(chǔ)是空間卷積和空間相關(guān)。目的是改善影像質(zhì)量，包括去除高頻噪聲與干擾，及影像邊緣增強(qiáng)、線性增強(qiáng)以及去模糊等。分為低通濾波（平滑化）、高通濾波（銳化）和帶通濾波。處理方法有計(jì)算機(jī)處理（數(shù)字濾波）和光學(xué)信息處理兩種。

航空相機(jī)及載體以一定的速度水平飛行，通過(guò)相機(jī)鏡頭L，運(yùn)動(dòng)物體成像在有一定空間周期分布的空間狹縫((SF)上，像移速度為v，空間狹縫刻線與物體運(yùn)動(dòng)方向垂直。由于圖像速度的存在，所有通過(guò)空間狹縫的光強(qiáng)產(chǎn)生周期性的變化，并由空間狹縫后方的光電探測(cè)器(PD)接收。由于狹縫存在窄帶通濾波特性，僅獲取運(yùn)動(dòng)圖像的特定空間頻率成分，可認(rèn)為運(yùn)動(dòng)圖像的光振幅在傳送時(shí)被空間狹縫調(diào)制了。因此光電探測(cè)器的輸出信號(hào)中包含與像移速度v相關(guān)的頻率f，速度v可由v=p×f確定，其中p為狹縫的空間周期。

該項(xiàng)研究中，研究人員將等離子體光學(xué)與空間濾波器相結(jié)合，研發(fā)了一種可以在重復(fù)頻率下使用的時(shí)空等離子體光學(xué)器件，即等離子體透鏡時(shí)空濾波器（spatiotemporal plasma-lens filter, STPLF）。STPLF可以增強(qiáng)超短脈沖時(shí)間信噪比的同時(shí)優(yōu)化激光光束近場(chǎng)質(zhì)量，提高空間信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1Hz重復(fù)頻率短脈沖激光條件下，等離子體透鏡時(shí)空濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)80%的激光通過(guò)效率，不僅消除了預(yù)脈沖和噪聲基底，還使主脈沖上升沿更加陡峭，信噪比提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，光束近場(chǎng)質(zhì)量也得到了改善。該技術(shù)為提升重頻超短脈沖激光時(shí)空信噪比特性提供了一種新方案。