CN117578164B - 基于等离子体的激光调谐方法及系统 - Google Patents

基于等离子体的激光调谐方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种基于等离子体的激光调谐方法及系统，所述方法包括：将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，第一等离子体用于使待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，中间激光脉冲具有线性啁啾特性；将中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到目标频率的目标激光脉冲，其中，第二等离子体用于使中间激光脉冲发生频移并产生与第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，目标激光脉冲具有无啁啾特性。根据本公开实施例，能够实现待调谐激光脉冲的准单色整体频移，光子及能量转换效率高、频率调谐范围广、兼具脉冲压缩效果。

Description

基于等离子体的激光调谐方法及系统
技术领域
本公开涉及激光调谐技术领域，尤其涉及一种基于等离子体的激光调谐方法及系统。
背景技术
飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒尺度(1-1000飞秒，1飞秒＝10-15秒)的脉冲激光。飞秒激光在物理、化学、生物、材料等领域都有着广泛的应用。例如，在物理领域，具有高峰值功率的飞秒激光可以与等离子体相互作用产生高能辐射源包括电子束、质子束、中子束以及X/γ射线等，进一步可以应用于辐射成像、电子衍射、实验室天体物理研究等方面；在化学领域，飞秒激光可实现化学反应过程的超快时间诊断，基于此发展出了超快光化学这一新兴领域；另外，飞秒激光与气体靶或者固体靶相互作用产生高次谐波也是人们目前获得阿秒级脉冲(1阿秒＝10-18秒)的方式之一，阿秒级的超短激光脉冲则是精细研究原子分子中的电子动力学过程的重要工具，在量子计算速度优化上具有重要作用。另外飞秒激光在材料加工、生物成像等领域也有广泛的应用。
飞秒激光推动上述领域发展的同时也极大地带动了飞秒激光的发展与建设，各个领域也对飞秒激光提出了各方面的需求，比如更高的激光能量，更短的脉冲宽度，频率可调谐(也即波长可调谐)等。其中激光频率(也即激光波长)在很多应用中都具有非常重要的影响，例如在研究物质的超快光化学过程中，众多的生物或者化学分子的吸收振动谱集中在2-14μm(微米)的中红外波段；在多光子成像应用方面，1.3μm和1.7μm波段是双光子和三光子成像的重要支撑；在强场物理以及高次谐波产生阿秒激光脉冲的应用方面，驱动激光的光强与波长的平方的乘积是一项重要的指标，为了获得更高阶次的高次谐波，在保持光强处于相当水平条件下，较长波长的驱动激光将带来显著效果。总的来说，飞秒激光越加广泛的应用散布在从近红外到中红外的区间，将这些需求归纳起来便是需要波长可连续调谐，并且具有高峰值功率的超强飞秒激光。
随着脉冲激光技术的发展，一系列包括调Q(Q-switch)、锁模等技术的出现，让激光脉冲宽度达到飞秒尺度，另外啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse Amplification，CPA)技术则将飞秒激光的峰值功率提升到相对论光强(1018W/cm2[瓦/平方厘米])甚至接近超相对论光强(1024W/cm2)水平，但是其频率调谐仍然具有很大局限性。
目前产生具有不同波长(也即不同频率)的飞秒激光的方式包括：采用具有特定发射波段的飞秒固体激光技术和非线性频率变换技术。其中，飞秒固体激光技术主要指掺钛蓝宝石激光、掺铬离子激光和掺镱激光。非线性率变换技术主要包括光参量产生、光参量振荡、光参量放大和差频产生等。然而，飞秒固体激光技术虽然可以产生高峰值功率的飞秒脉冲，但受限于晶体特性，其增益波长峰值处于很窄的区间，例如钛蓝宝石激光器的增益峰值波长在790-800nm(纳米)区间，掺铬离子激光器虽然不同的掺铬离子介质具有不同的发射波长，如Cr3+:LiSAF(800-1000nm)、Cr3+:LiSGaF(835nm)、Cr4+:YAG(1340-1580nm)等，但激光器一旦搭建完成则不可能通过更换晶体实现波长调谐；掺镱离子介质激光器的主要发射波长在941-975nm，由此可知虽然不同介质的飞秒固体激光可以实现波长略有差异的调谐输出，但不具备较大范围实现波长调谐的可能性，针对某一特定波长的应用需求，往往是通过研发新的增益晶体，来满足各种特定波长的调谐需求。以及，非线性频率变换技术虽然可以实现灵活的波长调谐，但是包括光参量产生、光参量振荡、光参量放大、差频产生等技术均只能产生脉冲能量在纳焦耳至微焦耳水平的低能量脉冲，难以产生在高能量脉冲，这极大限制了这类技术的应用范围。以上两项技术的组合技术如光参量啁啾脉冲放大技术等，虽然可以产生具有超高能量的激光脉冲同时进行小范围调谐，但仍然会受到增益晶体的限制从而在波长调谐范围上具有局限性。
相关研究发现基于强激光与等离子体作用可产生波长达到中红外波段的脉冲，其原理是利用峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别的飞秒激光，如钛蓝宝石激光，经过等离子体的作用便会产生部分红移实现波长调谐的脉冲输出。并且，等离子体作为没有击穿阈值的介质适合用于飞秒激光的激光调谐，来实现波长调谐和高能量脉冲输出。
虽然相关技术中可以利用飞秒激光与等离子体相互作用，直接产生波长可调谐的中红外脉冲，但其激光能量转换效率大约在1％水平，光子转换效率在12.5％水平；或者还可以利用双束超强飞秒激光与等离子体作用产生的波长在4μm附近的中红外脉冲，在不考虑驱动激光能量损耗情况下，其能量转换效率为30％，但是若考虑驱动激光的能量损失，其综合能量转换效率实际上不到3％，光子转换效率不到15％，另外双束飞秒激光也增加了激光调谐系统的复杂程度。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种基于等离子体的激光调谐方法及系统，能够实现待调谐激光脉冲的准单色整体频移，具有光子及能量转换效率高、频率调谐范围广、兼容超高峰值功率激光脉冲、同时具有脉冲压缩效果。
根据本公开的一方面，提供了一种基于等离子体的激光调谐方法，包括：将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的密度和长度。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散；或，在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散；其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。
在一种可能的实现方式中，所述低密度等离子体包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；所述高密度等离子体包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。
在一种可能的实现方式中，在将待调谐激光脉冲射入具有所述第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；通过等离子体产生装置根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，分别产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及具有所述第二密度参数的第二等离子体。
在一种可能的实现方式中，在将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，在将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体之前，所述方法还包括：对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。
在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲包括：能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，所述尾波场包括多个等离子体空泡，所述等离子体空泡对形成尾波场的飞秒激光脉冲有频移作用；所述飞秒激光脉冲包括：峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别、脉冲宽度在飞秒尺度的激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述方法对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于等离子体的激光调谐系统，包括：第一激光脉冲频移装置，用于将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；第二激光脉冲频移装置，用于将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的中心密度以及长度。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散；或，在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散；其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。
在一种可能的实现方式中，所述低密度等离子体包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；所述高密度等离子体包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：控制装置，用于获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；等离子体产生装置，用于根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，向所述第一激光脉冲频移装置中产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及向所述第二激光脉冲频移装置中产生具有第二密度参数的第二等离子体。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光压缩聚焦装置，用于对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲，并将所述待调谐激光脉冲传输至所述第一激光脉冲频移装置，以将所述待调谐激光脉冲射入所述第一等离子体。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：激光聚焦装置，用于根据所述第二等离子体所需的聚焦光斑半径，对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲并将所述聚焦后的中间激光脉冲传输至所述第二激光脉冲频移装置，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一激光脉冲频移装置中的第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二激光脉冲频移装置中的第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。
在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述系统对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。
根据本公开的另一方面，提供了一种多级激光脉冲调谐系统，包括：激光脉冲产生装置，用于产生初始激光脉冲；以及，至少两个所述的激光脉冲调谐系统，用于对所述初始激光脉冲进行至少两级激光调谐。
根据本公开的实施例，通过利用不同密度参数的等离子体能够以线性啁啾色散形式，使第一等离子体作用后的中间激光脉冲具有线性啁啾特性，使第二等离子体作用后的目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即实现对待调谐激光脉冲进行分段线性频移，且两段频移的线性啁啾色散相反，从而可以使分段频移各自产生的频移量叠加后得到的目标激光脉冲前后各脉冲位置处的频率一致，也即实现待调谐激光脉冲整体频移的效果，且由于等离子体的密度参数是根据目标频率和激光参数所确定的，因此能够将待调谐激光脉冲整体调谐到所需的目标频率(也即目标波长)，从而能够支持大范围频段的频率调谐(也即波长调谐)，且具有高能量转换效率和光子转换效率，兼容超高脉冲能量输出目标激光脉冲，同时具有脉冲压缩效果。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开实施例的基于等离子体的激光调谐方法的流程图。
图2示出根据本公开实施例的飞秒激光脉冲在等离子体中形成尾波场的示意图。
图3a、图3b以及图3c示出根据本公开实施例的激光脉冲时域电场分布的示意图。
图4a、图4b以及图4c示出根据本公开实施例的待调谐激光脉冲与目标激光脉冲之间频谱对比的示意图。
图5a示出根据本公开实施例的一种纵向等离子体密度分布的示意图。
图5b示出根据本公开实施例的一种横向等离子体密度分布的示意图。
图6示出根据本公开实施例的一种基于等离子体的激光调谐系统的框图。
图7示出根据本公开实施例的一种基于等离子体的激光调谐系统的框图。
图8示出根据本公开实施例的一种基于等离子体的激光调谐系统的框图。
图9示出根据本公开实施例的一种多级激光调谐系统的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
上述相关背景技术中都存在能量和光子转换效率较低的问题，究其原因在于，飞秒激光脉冲与等离子体的作用过程不能使激光脉冲整体上一起实现频移，作用后激光脉冲在频谱分布上表现为从飞秒激光波段到中红外波段的连续谱，并且作用后激光脉冲的能量大部分集中在飞秒激光波段(如钛蓝宝石激光对应的800nm)附近，后续在需利用特定波段前，还需过滤掉中红外波段附近的激光成分，从而在能量和光子转换效率上大打折扣。
虽然等离子体是实现飞秒激光大范围波长调谐的可能介质，但相关技术中提供的方式由于无法对激光脉冲实现整体的频移进而普遍存在能量转换效率与光子转换效率低、结构复杂等问题。因此，本领域迫切需要发展可实现将飞秒激光脉冲进行整体频移，并支持大范围波段调谐，具有高能量转换效率和光子转换效率的激光调谐方法。
有鉴于此，本公开实施例提供了一种基于等离子体的激光调谐方法及系统，可实现激光脉冲的准单色整体频率移动，具有能量及光子转换效率高、频率调谐范围广、兼容超高脉冲能量输出目标激光脉冲、同时具有脉冲压缩效果等优点。
以下以图1至图5b对本公开实施例提供的激光调谐方法进行详细介绍。
图1示出根据本公开实施例的基于等离子体的激光调谐方法的流程图。如图1所示，该基于等离子体的激光调谐方法，包括：
步骤S11，将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，第一等离子体用于使待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，中间激光脉冲具有线性啁啾特性；
步骤S12，将中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到目标频率的目标激光脉冲，其中，第二等离子体用于使中间激光脉冲发生频移并产生与第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，目标激光脉冲具有无啁啾特性。
其中，第一密度参数与第二密度参数根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与目标频率所确定的，第一密度参数与第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的密度以及长度。
可知晓的是，激光脉冲的频率与波长之间具有转换关系，调谐频率相当于调谐波长，由于通常情况下，基于等离子体的激光调谐是将激光脉冲的波长调长，频率调小，因此本公开实施例的目标频率可以小于待调谐激光脉冲所在频率。其中，目标频率可以是用户期望将待调谐激光脉冲所调谐到的频率，该目标频率可以是用户自定义设置的频率值，也可以是自定义设置的一段频率范围，对此本公开实施例不作限制。
在一种可能的实现方式中，待调谐激光脉冲包括：能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，尾波场包括多个等离子体空泡，等离子体空泡对形成尾波场的飞秒激光脉冲有频移作用；其中，飞秒激光脉冲包括：峰值功率在太瓦(1太瓦＝1012瓦)级别或太瓦以上级别(也即至少1012瓦)、脉冲宽度在飞秒尺度(1-1000飞秒，1飞秒＝10-15秒)的激光脉冲。本公开实施例提出等离子体尾场对激光脉冲的线性频移作用区间与参数范围，并可分别产生线性负啁啾色散以及近线性正啁啾色散。图2示出根据本公开实施例的飞秒激光脉冲在等离子体中形成尾波场的示意图，如图2所示，飞秒激光脉冲在等离子体中形成的尾波场中包括多个等离子体空泡(也即一种密度空泡结构)，其中，第一个等离子体空泡的前沿区域会对形成尾波场的飞秒激光脉冲产生频移作用，也即频率下移，又称红移。
可知晓的是，由于飞秒激光脉冲在不同密度参数的等离子体中产生的等离子空泡的尺度不同，不同尺度的等离子空泡对飞秒激光脉冲的频移作用模式与频移作用机制不同，或者说对飞秒激光脉冲的频移作用范围和频移作用方向不同，因此本公开实施例利用不同密度参数的等离子体对待调谐激光脉冲进行分段线性频移，例如先实现激光脉冲尾部频移再实现激光脉冲头部频移。具体地，可以先将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到脉冲尾部线性频移到目标频率的中间激光脉冲，再将该中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，进行脉冲头部线性频移，得到整体频移到目标频率的目标激光脉冲。这样可以将尾部线性频移和头部线性频移产生的频移量叠加后使目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即使目标激光脉冲前后各脉冲位置处的频率一致，即实现待调谐激光脉冲的整体频移。其中，线性频移可以理解为使激光脉冲以一种线性频率展宽方式向更长波长(即更低频率)拓展，对激光脉冲的作用效果是产生线性的啁啾色散。由于是线性频移，因此可以对激光脉冲的频移进行线性操控，来保证整体频移后目标激光脉冲从头部到尾部的各脉冲位置处频率一致，有利于提高整体频移前后的能量和光子转换效率。
应理解，激光脉冲具有一定长度，或者说从脉冲头部到脉冲尾部有一定长度，脉冲位置可以理解为激光脉冲从头部到尾部之间的任意位置，频移量可以理解为频率移动量。初始未经等离子体作用的待调谐激光脉冲一般而言其不同脉冲位置的频率是相同的。经过第一等离子体作用后的中间激光脉冲，在不同脉冲位置向目标频率的频移量与脉冲位置呈线性啁啾色散；以及，中间激光脉冲在第二等离子体作用后，将叠加与第一等离子体相反的线性啁啾色散所带来的频移量。例如，在第一等离子体的线性啁啾色散的作用下，激光脉冲的尾部频移量大而头部频移量小甚至基本不变；在第二等离子体的线性啁啾色散的作用下，激光脉冲的头部频移量大而尾部频移量小甚至基本不变。最终，通过调节第一等离子体和第二等离子体的密度参数(密度与长度)，可实现激光脉冲头尾各个位置具有相同的频移量，从而实现激光脉冲的整体准单色频移。
如上所述，由于不同激光参数的飞秒激光脉冲在不同密度参数的等离子体中产生不同尺度的等离子体空泡，对飞秒激光脉冲的频移作用模式不同，因此可以通过控制第一等离子体与第二等离子体各自对应的密度参数，来控制中间激光脉冲相对待调谐激光脉冲的频移量与脉冲位置之间呈线性增大或线性减小，以及再将中间激光脉冲进行整体频移到目标频率。并且，由于第一密度参数与第二密度参数是根据待调谐脉冲激光所需调谐到的目标频率所确定的，因此，利用具有第一密度参数的第一等离子体以及具有第二密度参数的第二等离子体进行线性频移，可以使待调谐激光脉冲的频率整体移动到目标频率(也即使待调谐激光脉冲的波长移动到目标波长)，或者说，使频移后的目标激光脉冲的频率处于目标频率(也即频移后的目标激光脉冲的波长处于目标波长)。需说明的是，本公开实施例提及的频率可以是激光脉冲的中心频率，波长可以是激光脉冲的中心波长。
在一种可能的实现方式中，可以控制具有第一密度参数的第一等离子体是低密度等离子体，以及具有第二密度参数的第二等离子体是高密度等离子体，也即可以先将待调谐激光脉冲射入低密度等离子体，得到中间激光脉冲；再将中间激光脉冲射入高密度等离子体，得到目标激光脉冲；其中，可选地，低密度等离子体可以包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；高密度等离子体可以包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。基于此，在第一等离子体是低密度等离子体，且第二等离子体是高密度等离子体的情况下，第一等离子体使待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，第二等离子体使中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，其中，线性负啁啾色散可以理解为使待调谐激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈线性减少(尾部频移多)，或者说，线性负啁啾色散使待调谐激光脉冲从脉冲头部到脉冲尾部的频率随位置线性减小；以及，近线性正啁啾色散可以理解为使中间激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈近线性增大(头部频移多)，或者说，近线性正啁啾色散使中间激光脉冲从脉冲头部到脉冲尾部的频率随位置近线性增大。
其中，待调谐激光脉冲通常为无啁啾脉冲，其脉冲前后各位置频率基本一致；第一等离子体(此时为低密度等离子体)使待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，代表第一等离子体使待调谐激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈线性减少，意味着，待调谐激光脉冲尾部的频率移动量多，头部的频率移动量少，也即脉冲尾部到脉冲头部的频移量呈线性减少，该过程代表待调谐激光脉冲发生红移，且红移后得到的中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，该线性负啁啾特性代表中间激光脉冲尾部的频率低于该中间激光脉冲头部的频率且从尾部到头部的频率呈线性增大，这意味着中间激光脉冲尾部先移动到了目标频率。
其中，第二等离子体(此时为高密度等离体子体)使中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，代表第二等离子体使中间激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈线性增大，意味着，中间激光脉冲尾部的频率移动量少，头部的频率移动量多，也即脉冲尾部到脉冲头部的频移量呈近线性增大，与第一等离子体对待调谐激光脉冲的作用相反，通过高密度等离子体对中间激光脉冲的频移以及近线性正啁啾色散的作用，可以使具有线性负啁啾特性的中间激光脉冲，变为无啁啾特性的目标激光脉冲，也即从部分频移到目标频率的中间激光脉冲，变为整体频移到目标频率的目标激光脉冲，且目标激光脉冲从头部到尾部各脉冲位置的频率一致。其中，近线性正啁啾色散和线性负啁啾色散可以相互抵消，从而实现待调谐激光脉冲整体频移为目标激光脉冲。
图3a、图3b以及图3c示出根据本公开实施例的激光脉冲时域电场分布的示意图，图3a示出可以是待调谐激光脉冲的时域电场分布，该待调谐激光脉冲在时域上电场呈高斯分布，如图3a所示，待调谐激光脉冲前后各位置的频率一致，无脉冲啁啾；利用低密度等离子体对图3a示出的待调谐激光脉冲进行频移作用后，可以得到图3b示出的中间激光脉冲的时域电场分布，如图3b所示，中间激光脉冲越靠近脉冲尾部位置(图中左侧)，对应激光波长越长，频率越低，此时中间激光脉冲尾部的频率已达到目标频率，具有负线性啁啾特性；然后利用高密度等离子体对图3b示出的中间激光脉冲进行频移作用，可以得到图3c示出的目标激光脉冲的时域电场分布图，高密度等离子体会对中间激光脉冲头部产生进行较多频移，越靠近头部，频移量越大，并且与脉冲位置保持近线性的关系，如图3c所示，目标激光脉冲的整体波长变长，频率降低，此时目标激光脉冲头部也已达到目标频率，具有无啁啾特性，且频移后的目标激光脉冲在时域上仍呈高斯分布，由此实现了待调谐激光脉冲的整体频移。
在一种可能的实现方式中，还可调换尾部频移与头部频移的先后顺序，也即可以先进行头部频移再进行尾部频移，具体地，可以控制具有第一密度参数的第一等离子体是高密度等离子体，具有第二密度参数的第二等离子体是低密度等离子体，也即可以先将待调谐激光脉冲射入高密度等离子体，得到中间激光脉冲；再将中间激光脉冲射入低密度等离子体，得到目标激光脉冲；如上所述，低密度等离子体可以包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；高密度等离子体可以包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。基于此，在第一等离子体是高密度等离子体，且第二等离子体是低密度等离子体的情况下，第一等离子体使待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，第二等离子体使中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散。
其中，待调谐激光脉冲通常为无啁啾脉冲，其脉冲前后各位置频率基本一致；第一等离子体(此时为高密度等离子体)使待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，代表第一等离子体使待调谐激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈近线性增大，意味着，待调谐激光脉冲头部的频率移动量多，尾部的频率移动量少，也即脉冲头部到脉冲尾部的频移量呈线性减少，从而使经过第一等离子体(此时为高密度等离子体)作用后的中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，也即该近线性正啁啾特性代表中间激光脉冲头部的频率低于该中间激光脉冲尾部的频率且从头部到尾部的频率呈线性增大，这意味着中间激光脉冲头部先移动到了目标频率。通过高密度等离子体对待调谐激光脉冲的频移及线性正啁啾色散的作用，可以使无啁啾特性的待调谐激光脉冲变为具有近线性正啁啾特性的中间激光脉冲。
其中，第二等离子体(此时为低密度等离子体)使中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，代表第二等离子体使中间激光脉冲从脉冲尾部至脉冲头部向目标频率的频移量呈线性减少，意味着，中间激光脉冲尾部的频率移动量多，头部的频率移动量少，也即脉冲尾部到脉冲头部的频移量呈线性减少，这与上述第一等离子体对待调谐激光脉冲的作用相反，其中，低密度等离子体会使中间激光脉冲发生红移，且红移后得到的目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即从部分频移到目标频率的中间激光脉冲，变为整体频移到目标频率的目标激光脉冲，且目标激光脉冲从头部到尾部各脉冲位置的频率一致。如上所述，线性负啁啾色散和近线性正啁啾色散可以相互抵消，从而实现待调谐激光脉冲整体频移为目标激光脉冲。
应理解的是，当第一等离子体是低密度等离子体，第二等离子体是高密度等离子体时的激光调谐过程，与当第一等离子体是高密度等离子体，第二等离子体是低密度等离子体时激光调谐过程类似，区别在于待调谐激光脉冲先频移尾部还是先频移头部，但均可以将待调谐激光脉冲整体调谐到目标频率。
利用本公开实施例的激光调谐方法，例如可以将中心波长为800nm的待调谐激光脉冲整体频移为中心波长为1.3μm的目标激光脉冲；可以将中心波长为800nm的待调谐激光脉冲整体频移为中心波长为1.6μm的目标激光脉冲；可以将中心波长为1.6μm的待调谐激光脉冲整体频移为中心波长为2.5μm的目标激光脉冲。
图4a、图4b以及图4c示出根据本公开实施例的待调谐激光脉冲与目标激光脉冲之间频谱对比的示意图，如图4a示出由中心波长为800nm的输入脉冲(也即待调谐激光脉冲)频移到中心波长为1.3μm的输出脉冲(也即目标激光脉冲)、图4b示出由中心波长为800nm的输入脉冲(也即待调谐激光脉冲)频移到中心波长为1.6μm的输出脉冲(也即目标激光脉冲)，图4c示出由中心波长为1.6μm的输入脉冲(也即待调谐激光脉冲)频移到中心波长为2.5μm的输出脉冲(也即目标激光脉冲)。
其中，如图4a、图4b以及图4c所示，通过本公开实施例的激光调谐方法所得到的输出脉冲在频谱宽度(半高全宽)上也得到了展宽，从而在时域上具有脉冲压缩效果，例如针对脉冲宽度为30fs的待调谐激光脉冲，经过整体频移后得到的目标激光脉冲的脉冲宽度可以被压缩到20fs，且由于待调谐激光脉冲整体频移到目标频率，可以使整体频移前后的光子转换效率达到90％以上，也即可以有效利用90％以上的目标激光脉冲进行应用。
在一种可能的实现方式中，上述步骤S11和步骤S12可以分开使用等离子体，也可合并在一起使用一个纵向具有阶梯特征的等离子体结构，其中，对于低密度等离子体可使用等离子体通道，对于高密度等离子体可不采用等离子体通道，对此本公开实施例不做限制。具体地，第一等离子体与第二等离子体之间例如可以设有其它激光调谐所需的装置，这意味着步骤S11中通过第一等离子体后得到的中间激光脉冲并未直接射入步骤S12中的第二等离子体中；第一等离子体与第二等离子体也可以处于同一具有阶梯特性的等离子体通道中，意味着步骤S11中通过第一等离子体后得到的中间激光脉冲可以直接射入步骤S12中的第二等离子体中。
根据本公开实施例，通过利用不同密度参数的等离子体能够以线性啁啾色散形式，使第一等离子体作用后的中间激光脉冲具有线性啁啾特性，使第二等离子体作用后的目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即实现对待调谐激光脉冲进行分段线性频移，且两段频移的线性啁啾色散相反，从而可以使分段频移各自产生的频移量叠加后得到的目标激光脉冲前后各脉冲位置处的频率一致，也即实现待调谐激光脉冲整体频移的效果，且由于等离子体的密度参数(密度和长度)是根据目标频率和激光参数所确定的，因此能够将待调谐激光脉冲整体调谐到所需的目标频率(也即目标波长)，从而能够支持大范围频段的频率调谐(也即波长调谐)，且具有高能量转换效率和光子转换效率，兼容超高脉冲能量输出目标激光脉冲，同时具有脉冲压缩效果。
如上所述，第一密度参数与第二密度参数是根据待调谐激光脉冲的参数与目标频率所确定的，在一种可能的实现方式中，在将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：
步骤S08，获取待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及待调谐激光脉冲具有的激光参数，激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑尺寸、聚焦光强；
步骤S09，根据目标频率以及激光参数，确定第一等离子体应具有的第一密度参数以及第二等离子体应具有的第二密度参数；
步骤S10，通过等离子体产生装置根据第一密度参数以及第二密度参数，分别产生具有第一密度参数的第一等离子体，以及具有第二密度参数的第二等离子体。
其中，目标频率可以是用户自定义设置的频率值或频率范围，对此本公开实施例不做限制。激光参数可以根据待调谐激光脉冲实际具有的参数值进行设置，例如可以根据激光脉冲产生装置所产生的初始激光脉冲实际具有的参数值进行设置，或者可以根据利用激光调谐方法对初始激光脉冲进行至少一轮激光调谐得到的目标激光脉冲实际具有的参数值进行设置，对此本公开实施例不做限制。例如，可以设置待调谐激光脉冲的中心波长为800nm，脉冲宽度为30fs(飞秒)，峰值功率100太瓦(1太瓦＝1012瓦)。
其中，可以预先设置各种目标频率以及各种激光参数，与第一密度参数以及第二密度参数之间的映射关系，这样在获取到待调谐激光脉冲对应的目标频率和激光参数后，可以基于该映射关系，得到第一等离子体应具有的第一密度参数以及第二等离子体应具有的第二密度参数。该映射关系可以是函数形式也可以是图表形式，应理解的是，本领域技术人员可以预先通过理论分析结合模拟实验得到该映射关系，本公开实施例对于该映射关系的建立过程不作限制。
举例来说，针对上述中心波长为800nm，脉冲宽度为30fs，峰值功率100太瓦的待调谐激光脉冲，若设置目标频率对应目标波长为1.3μm，可以得到第一等离子体的第一密度参数包括：中心密度为3×1017cm-3，分布长度约为4cm，第二等离子体的第二密度参数包括：中心密度为1×1019cm-3，分布长度约为0.5mm，并具有100-300μm的密度上升沿和密度下降沿；若设置目标频率对应目标波长为1.6μm，可以得到第一等离子体的第一密度参数包括：中心密度为3×1017cm-3，分布长度约为4cm，而第二等离子体的第二密度参数可以包括：中心密度为8×1018cm-3，分布长度约为0.75mm。
图5a示出根据本公开实施例的一种纵向等离子体密度分布的示意图，如图5a所示，中心密度可以理解为激光传播轴线上的纵向分布密度，从a到b可以是密度上升沿，从c到d可以是密度下降沿，其中，分布长度可以是b到c之间密度分布均匀时的长度(可称密度平台长度)，或者也可以是从a到d之间等离子体分布的整体长度，对此本公开实施例不做限制。图5b示出一种横向等离子体密度分布的示意图，如图5b所示，等离子体在沿垂直激光脉冲传播轴线的横向方向(也即径向)上呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。
其中，等离子体产生装置可以是本领域已知的用于产生密度可调的等离子体的装置，例如超音速气体喷嘴(gas jet)或者气室(gas cell)，该等离子体产生装置设置于真空环境中运行，该等离子体产生装置可以先产生气体(包括但不限于氮气、氦气、氢气、多种气体混合等)，然后使用激光照射电离气体或高压放电电离气体，来得到具有各种密度参数的等离子体。本公开实施例对于等离子体产生装置的结构、型号等均不作限制。
在实际应用中，可以采用一个等离子体产生装置产生第一等离子体和第二等离子体，也可以采用两个等离子体产生装置分别产生第一等离子体和第二等离子体，具体可依据激光调谐系统的硬件结构设计，对此本公开实施例不做限制。
考虑到，为了利用低密度等离子体实现对激光脉冲的频移作用，其分布长度通常较长(例如上述4cm的分布长度)，为了使激光脉冲更稳定地以聚焦焦斑状态在低密度等离子体中传播而不产生过大的几何发散，在一种可能的实现方式中，在第一等离子体是低密度等离子体的情况下，第一等离子体可以沿垂直待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布，以实现对入射激光的长距离导引，等离子体横向抛物线分布参数由激光聚焦尺寸与纵向等离子体密度共同决定；或，在第二等离子体是低密度等离子体的情况下，第二等离子体可以沿垂直中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布，效果同上。
如上所述，低密度等离子体可以使用等离子体通道，可知晓，在数学上，等离子体通道的横向密度分布为：ne＝n0+Δn(r/w0)2,为等离子体通道深度，其中r为距离激光中心轴线的距离，n0为中心纵向等离子体密度，w0为激光脉冲的焦斑尺寸，re＝2.8×10-15m为电子的经典半径。
其中，上述等离子体产生装置可以产生具有抛物线分布的等离子体，包括但不限于使用激光照射电离气体后扩散形成具有抛物线分布特征的等离子体，以及使用高压放电电离气体形成的抛物线分布特征的等离子体等。其中，等离子体沿垂直中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布，可以理解为，等离子体具有横向抛物线分布、中心密度低且边缘密度高的分布特征，纵向具有密度上升沿、密度平台、密度下降沿等特征。通过采用具有抛物线分布的等离子体，可以使已聚焦激光脉冲在等离子体中的长距离稳定传输。
根据本公开实施例，通过基于待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及待调谐激光脉冲具有的激光参数，来确定第一等离子体应具有的第一密度参数，以及第二等离子体应具有的第二密度参数，可以使通过等离子体产生装置所产生的第一等离子体以及第二等离子体，满足将待调谐激光脉冲调谐到目标频率的需求，也即实现满足各种目标频率的激光调谐需求，有利于实现大范围频率调谐而不受固体光学中晶体频带特性限制。
其中，第一等离子体应具有的第一密度参数以及第二等离子体应具有的第二密度参数，可以理解为，能在待调谐激光脉冲的脉冲参数和目标频率条件下，得到较好调谐效果的等离子体密度参数。应理解，本领域技术人员可以根据理论模拟计算或者实验数据，预先设置各种激光参数与目标频率与所需的第一等离子体的第一密度参数和第二等离子体的第二密度参数之间的对应关系，这样在通过上述步骤S08至步骤S09得到待调谐激光脉冲的激光参数与目标频率后，便可以基于该对应关系得到第一等离子体所应具有的第一密度参数与第二等离子体所应具有的第二密度参数。
在实际应用中，通常使用激光脉冲产生装置(如飞秒激光器、超短超强激光器等)产生激光脉冲，本公开实施例对于激光脉冲产生装置的结构、型号等均不作限制。考虑到通过激光产生装置产生的初始激光脉冲的脉冲宽度可能较宽且不聚焦，这可能影响等离子体对激光脉冲的频移作用，在一种可能的实现方式中，在步骤S11将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还可以包括：对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲。其中，可以具体根据与第一等离子作用所需的脉冲宽度以及聚焦光斑半径，对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲。
其中，本领域技术人员可以采用本领域已知的激光脉冲压缩技术，例如，激光脉冲压缩光栅，实现根据与第一等离子体作用所需的脉冲宽度，对初始激光脉冲进行压缩，得到压缩后的初始激光脉冲，对此本公开实施例不做限制。应理解的是，压缩后的初始激光脉冲具有与第一等离子体作用所需的脉冲宽度。
其中，本领域技术人员可以采用本领域已知的激光脉冲聚焦技术，例如激光聚焦镜等，实现根据与第一等离子体作用所需的聚焦光斑半径，对压缩后的初始激光脉冲进行聚焦，得到压缩聚焦后的待调谐激光脉冲，对此本公开实施例不做限制。应理解的是，压缩聚焦后的待调谐激光脉冲具有与第一等离子体作用所需的聚焦光斑半径和脉冲宽度。
如上所述，采用具有抛物线分布的等离子体，可以使已聚焦激光脉冲在等离子体中的长距离稳定传输，在第一等离子体是抛物线分布的情况下，聚焦后的待调谐激光脉冲能够在具有第一密度参数的第一等离子体中稳定传输，同时第一等离子体可以对具有该第一等离子体所需的聚焦光斑半径和脉冲宽度的待调谐激脉冲光产生更好的频移作用。
根据本公开实施例，能够使具有第一密度参数的第一等离子体对压缩且聚焦后的待调谐激光脉冲光产生更好的频移作用。
在一种可能的实现方式中，待调谐激光脉冲还包括：利用激光调谐方法对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲；应理解的是，虽然经过激光调谐方法所得到目标激光脉冲与待调谐激光脉冲具有不同波长和不同频率，但经过激光调谐方法所得到的目标激光脉冲可以仍是能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，这样可以将上一次激光调谐输出的目标激光脉冲，作为当前轮次激光调谐输入的待调谐激光脉冲，来进行多次级联激光调谐，从而可以实现更大范围的频率调谐(也即波长调谐)，其中执行一次激光调谐可以理解为执行一次整体准单色平移。
考虑到，具有第二密度参数的第二等离子体对射入的激光脉冲需求的聚焦光斑半径可能与第一等离子体不同，或者说，具有第二密度参数的第二等离子体中产生较好频移效果时所需的聚焦光斑半径可能与具有第一密度参数的第一等离子体不同，因此可以对中间激光脉冲再进行聚焦，以能够在第二等离子体中得到较好的频移效果，在一种可能的实现方式中，在步骤S12将中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体之前，所述方法还包括：
步骤S121，对中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，以将聚焦后的中间激光脉冲射入第二等离子体。其中，可以具体根据与第二等离子作用所需的聚焦光斑半径，对中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，对中间激光脉冲的聚焦包括对原发散激光的准直、传输与聚焦等。
其中，与第二等离子体作用所需的聚焦光斑半径，可以理解为，能在具有第二密度参数的第二等离子体中得到较好的频移效果的激光脉冲所需具有的聚焦光斑半径。应理解，在已知第二等离子体的第二密度参数后，可以知晓与第二等离子体作用所需的聚焦光斑半径，或者也可以人为设定与第二等离子体作用所需的聚焦光斑半径，对此本公开实施例不作限制。
其中，本领域技术人员可以采用本领域已知的激光脉冲聚焦技术，例如激光聚焦镜等，实现根据与第二等离子体作用所需的聚焦光斑半径，对中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，对此本公开实施例不做限制。应理解的是，聚焦后的中间激光脉冲具有与第二等离子体作用所需的聚焦光斑半径。
如上所述，采用具有抛物线分布的等离子体，可以使已聚焦激光脉冲在等离子体中的长距离稳定传输，在第二等离子体是抛物线分布的情况下，聚焦后的中间激光脉冲能够在具有第二密度参数的第二等离子体中稳定传输，同时第二等离子体可以对具有该第二等离子体所需的聚焦光斑半径以及脉冲宽度的中间激光脉冲光产生更好的频移作用。
需说明的是，步骤S121可以是可选步骤，若需要采用步骤S121对中间激光脉冲进行聚焦时，第一等离子体与第二等离子体可以分别处于两个等离子体装置中，两者之间例如可以设有其它激光调谐所需的装置，例如可以设有激光脉冲聚焦装置、激光脉冲传输装置等，并利用该些装置实现上述步骤S121。
根据本公开实施例，能够使具有第二密度参数的第二等离子体对聚焦后的中间激光脉冲光产生更好的频移作用。
以下以图6至图8对本公开实施例提供的基于等离子体的激光调谐系统进行详细介绍。
图6示出根据本公开实施例的一种基于等离子体的激光调谐系统的框图，如图6所示，该激光调谐系统，包括：
第一激光脉冲频移装置111，用于将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，第一等离子体用于使待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，中间激光脉冲具有线性啁啾特性；
第二激光脉冲频移装置112，用于将中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到目标频率的目标激光脉冲，其中，第二等离子体用于使中间激光脉冲发生频移并产生与第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，目标激光脉冲具有无啁啾特性。
其中，第一密度参数与第二密度参数是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，第一密度参数与第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的中心密度以及长度。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散。
其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。
在一种可能的实现方式中，所述低密度等离子体包括：中心密度处于1016cm-3至1018cm-3的等离子体；所述高密度等离子体包括：中心密度处于1018cm-3至1020cm-3的等离子体。
在一种可能的实现方式中，所述系统还可以包括：
控制装置，用于获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；
等离子体产生装置，用于根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，向所述第一激光脉冲频移装置111中产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及向所述第二激光脉冲频移装置112中产生具有第二密度参数的第二等离子体。
其中，控制装置例如可以采用微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、电脑、计算机等具有逻辑运算能力的装置，控制装置可以与等离子体产生装置通信，以将第一等离子体应具有的第一密度参数以及第二等离子体应具有的第二密度参数发送给等离子体产生装置，从而使分别向第一激光脉冲频移装置111中产生具有第一密度参数的第一等离子体，以及向第二激光脉冲频移装置112中产生具有第二密度参数的第二等离子体。
其中，等离子体产生装置可以采用单个等离子体产生装置向第一激光脉冲频移装置111中产生具有第一密度参数的第一等离子体，以及向第二激光脉冲频移装置112中产生具有第二密度参数的第二等离子体；还可以采用两个等离子体产生装置，每个等离子体产生装置分别对应一个激光脉冲频移装置，分别向第一激光脉冲频移装置111中产生第一等离子体，以及向第二激光脉冲频移装置112中产生第二等离子体，具体可依据激光调谐系统的硬件结构设计，对此本公开实施例不做限制。
在一种可能的实现方式中，在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一激光脉冲频移装置111中的第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二激光脉冲频移装置112中的第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。
可选地，所述系统还可以包括：激光脉冲产生装置，用于产生初始激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，如图7所示，所述系统还可以包括：
激光压缩聚焦装置113，用于对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲，并将所述待调谐激光脉冲传输至所述第一激光脉冲频移装置111，以将所述待调谐激光脉冲射入所述第一等离子体并将所述待调谐激光脉冲传输至所述第一激光脉冲频移装置111，以将所述待调谐激光脉冲射入具有第一等离子体。
其中，激光压缩聚焦装置113可以具有激光脉冲压缩功能、激光脉冲聚焦功能以及激光脉冲传输功能，或者说，激光压缩聚焦装置113可以包括激光脉冲压缩装置、激光脉冲聚焦装置以及激光脉冲传输装置。
可选地，上述控制装置还可以在确定待调谐激光脉冲的脉冲参数后，基于该脉冲参数，确定出第一等离子体应具有的第一密度参数，控制装置还可以与等离子体产生装置进行通信，以将待调谐激光脉冲所需的第一等离子体的第一密度参数与第二等离子体所需的第二密度参数，发送给该等离子体产生装置。当然，上述控制装置还可以直接将待调谐激光脉冲的脉冲参数与目标频率发送给等离子体产生装置，由等离子体产生装置基于待调谐激光脉冲的脉冲参数与目标频率，确定出第一等离子体应具有的第一密度参数和第二等离子体应具有的第二密度参数。
可选地，上述控制装置还可以直接与激光压缩聚焦装置113进行通信，直接获取待调谐激光脉冲的激光参数，或将所设定待调谐激光脉冲应具有的脉冲宽度和聚焦光斑半径，发送给激光压缩聚焦装置113，以使激光压缩聚焦装置113根据设定的脉冲宽度和聚焦光斑半径，对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，对此本公开实施例不做限制。其中，所设定待调谐激光脉冲应具有的脉冲宽度和聚焦光斑半径可以理解为与第一等离子体作用所需的脉冲宽度和聚焦光斑半径。
在一种可能的实现方式中，如图8所示，所述系统还可以包括：
激光聚焦装置114，用于根据所述第二等离子体所需的聚焦光斑半径，对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲并将所述聚焦后的中间激光脉冲传输至所述第二激光脉冲频移装置112，以将所述聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。
其中，激光聚焦装置114可以具有激光脉冲聚焦功能以及激光脉冲传输功能，或者说，激光聚焦装置114可以包括激光脉冲聚焦装置以及激光脉冲传输装置。
可选地，上述控制装置还可以在确定出第二等离子体应具有的第二密度参数后，基于该第二密度参数，确定第二等离子体所需的聚焦光斑半径，控制装置还可以与激光聚焦装置114进行通信，将所设定的中间激光脉冲应具有的聚焦光斑半径发送至激光聚焦装置114，以使激光聚焦装置114根据设定的聚焦光斑半径，对中间激光脉冲进行聚焦，对此本公开实施例不做限制；其中，所设定中间激光脉冲应具有的聚焦光斑半径可以理解为与第二等离子作用所需的聚焦光斑半径。
在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲包括：能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，所述尾波场包括多个等离子体空泡，所述等离子体空泡对驱动尾波场的飞秒激光脉冲有频移作用；所述飞秒激光脉冲包括：峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别、脉冲宽度在飞秒尺度的激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述系统对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。
在一种可能的实现方式中，可以将激光调谐系统除控制装置以外的其它装置(包括第一激光脉冲频移装置、第二激光脉冲频移装置、等离子体产生装置、激光压缩聚焦装置、激光聚焦装置等)可以设置于真空环境中，例如，图6、图7或图8所示的激光调谐系统中的各个装置可以处于真空环境中，以避免非真空环境的空气介质对激光调谐过程的激光脉冲产生干扰。
在一种可能的实现方式中，上述第一激光脉冲频移装置111与第二激光脉冲频移装置112可以是独立的两个装置，也即第一激光脉冲频移装置111与第二激光脉冲频移装置112可以作为两个等离子体，这意味第一激光脉冲频移装置111与第二激光脉冲频移装置112之间可以设置其它激光调谐所需的装置，例如可以如图8所示设置激光聚焦装置114；或者，第一激光脉冲频移装置111与第二激光脉冲频移装置112也可以合并为一个连通的具有阶梯特征的等离子体结构，这样第一激光脉冲频移装置111与第二激光脉冲频移装置112可以构成一个具有阶梯特征等离子体通道，从而第一激光脉冲频移装置111输出的中间激光脉冲可以直接射入第二激光脉冲频移装置112。
根据本公开实施例的激光调谐系统，通过利用不同密度参数的等离子体能够以线性啁啾色散形式，使第一等离子体作用后的中间激光脉冲具有线性啁啾特性，使第二等离子作用后的目标激光脉冲具有无啁啾特性，也即实现对待调谐激光脉冲进行分段线性频移，且两段频移的线性啁啾色散相反，从而可以使分段频移各自产生的频移量叠加后得到的目标激光脉冲前后各脉冲位置处的频率一致，也即实现待调谐激光脉冲整体频移的效果，且由于等离子体的密度参数是根据目标频率和激光参数所确定的，因此能够将待调谐激光脉冲整体调谐到所需的目标频率(也即目标波段)，从而能够支持大范围频段的频率调谐(也即波长调谐)，且具有高能量转换效率和光子转换效率，兼容超高脉冲能量输出目标激光脉冲，同时具有脉冲压缩效果。
需要说明的是，本公开实施例提供的激光调谐系统中的各个装置可以用于执行上文方法实施例中描述的方法，其具体实现方式可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
在一种可能的实现方式中，如图6、图7或图8所示的激光调谐系统可以多级级联，这样可以利用多级级联的激光调谐系统，获得更大范围的频率调谐。基于此，本公开实施例还提供一种多级激光调谐系统，如图9所示，该多级激光调谐系统包括：
激光脉冲产生装置，用于产生初始激光脉冲；以及，
至少两个上述本公开实施例中提供的基于等离子体的激光脉冲调谐系统，用于对初始激光脉冲进行至少两级激光调谐。
其中，基于图9示出的多级激光调谐系统，可以按照从左向右的顺序，利用至少两个基于等离子体的激光脉冲调谐系统对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少两轮激光频移，也即第一个激光脉冲调谐系统输出的目标激光脉冲，可以作为第二个激光脉冲调谐系统输入的待调谐激光脉冲，第二个激光脉冲调谐系统输出的目标激光脉冲，可以作为第三个激光脉冲调谐系统输入的待调谐激光脉冲，以此类推。例如，利用两级激光调谐系统，可以将中心波长为800nm的输入脉冲(也即待调谐激光脉冲)频移到中心波长为1.6μm的输出脉冲(也即目标激光脉冲)，再将该中心波长为1.6μm的输出脉冲作为输入脉冲频移到中心波长为2.5μm的输出脉冲(也即目标激光脉冲)。
应理解的是，每个基于等离子体的激光脉冲调谐系统对输入的待调谐激光脉冲的激光调谐过程可参照上述本公开实施例中提供的具体实现方式，在此不做赘述。本公开实施例对于至少两个基于等离子体的激光脉冲调谐系统之间的连接方式不作限制。
应理解的是，多级激光脉冲调谐系统中的激光脉冲调谐系统可以采用上述本公开实施例中任一种激光脉冲调谐系统，对此本公开实施例不做限制。本领域技术人员可以根据实际需求设计多级激光调谐系统中包含的激光调谐系统的结构和数量以及级联方式，对此本公开实施例不做限制。
根据本公开实施例的多级激光调谐系统，可以通过级联至少两个基于等离子体的激光调谐系统，来对激光脉冲产生装置所产生的初始激光脉冲进行至少两轮激光调谐，从而能够获得更大范围的频率调谐(也即波长调谐)。
根据上述本公开实施例提供的基于等离子体的激光调谐方法及系统、多级激光调谐系统，可对飞秒激光脉冲进行整体的频率移动，具有超高光子转换效率和能量转换效率；得益于等离子体无损伤阈值的特点，能够支持超高峰值功率飞秒激光的频率调谐；可多级级联实现飞秒激光脉冲频率的大范围频移；在实现频率整体变换过程中，可同时实现脉冲频谱的展宽，所输出的飞秒激光脉冲可以脉冲宽度上得到压缩，可提供时间尺度更短的脉冲，同时获得更高的峰值强度；综合频移与光谱展宽效果，可在中红外波段获得数周期乃至单周期超强脉冲；无固体光学晶体具有特定吸收以及发射波段限制，可广泛应用于各类基于不同介质材料不同波长的超强飞秒激光装置的频率移动和波长变换；且具有较高经济性，由于等离子体通过气体电离实现，因此具有低成本优势。
上述本公开实施例的基于等离子体的激光调谐方法及系统、多级激光调谐系统适用于所有可在等离子体中排开电子形成尾场的飞秒激光，包括但不限于峰值功率在太瓦(1012瓦)甚至拍瓦(1015瓦)级别及拍瓦以上级别的飞秒激光脉冲均可现整体频率移动；且不局限于对基于钛蓝宝石的飞秒激光进行频移，针对其他波段的飞秒激光均可实现频移从而更高效获得所需波段的飞秒激光脉冲；也不对激光脉冲进行激光调谐的级数设限，针对上述飞秒激光脉冲不论是单次激光调频还是多次激光调谐均适用。
需要说明的是，本公开实施例的附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统和方法可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块或子系统的一部分，所述模块或子系统的一部分包含一个或多个用于实现规定的功能的元件。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (14)

1.一种基于等离子体的激光调谐方法，其特征在于，包括：
将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；
将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；
其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的密度和长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述第一等离子体是低密度等离子体，且所述第二等离子体是高密度等离子体的情况下，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性负啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散；或，
在所述第一等离子体是高密度等离子体，且所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下 ，所述第一等离子体使所述待调谐激光脉冲频移并产生近线性正啁啾色散，所述中间激光脉冲具有近线性正啁啾特性，所述第二等离子体使所述中间激光脉冲频移并产生线性负啁啾色散；
其中，线性负啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率线性减小；近线性正啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率近线性增大，无啁啾特性为从激光脉冲头部到激光脉冲尾部的频率一致。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低密度等离子体包括：中心密度处于至/>的等离子体；
所述高密度等离子体包括：中心密度处于至/>的等离子体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将待调谐激光脉冲射入具有所述第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：
获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；
根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；
通过等离子体产生装置根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，分别产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及具有所述第二密度参数的第二等离子体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体之前，所述方法还包括：
对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体之前，所述方法还包括：
根据所述第二等离子体所需的聚焦光斑半径，对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，
所述待调谐激光脉冲包括：能在等离子体中形成尾波场的飞秒激光脉冲，所述尾波场包括多个等离子体空泡，所述等离子体空泡对形成尾波场的飞秒激光脉冲有频移作用；
所述飞秒激光脉冲包括：峰值功率在太瓦级别或太瓦以上级别、脉冲宽度在飞秒尺度的激光脉冲。
8.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，
所述待调谐激光脉冲还包括：利用所述方法对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行至少一次激光调谐后的目标激光脉冲。
9.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，
在所述第一等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第一等离子体沿垂直所述待调谐激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布；或，
在所述第二等离子体是低密度等离子体的情况下，所述第二等离子体沿垂直所述中间激光脉冲的传播方向的方向呈中心密度低且边缘密度高的抛物线分布。
10.一种基于等离子体的激光调谐系统，其特性在于，包括：
第一激光脉冲频移装置，用于将待调谐激光脉冲射入具有第一密度参数的第一等离子体，得到部分频移到目标频率的中间激光脉冲，其中，所述第一等离子体用于使所述待调谐激光脉冲发生频移并产生线性啁啾色散，所述中间激光脉冲具有线性啁啾特性；
第二激光脉冲频移装置，用于将所述中间激光脉冲射入具有第二密度参数的第二等离子体，得到整体频移到所述目标频率的目标激光脉冲，其中，所述第二等离子体用于使所述中间激光脉冲发生频移并产生与所述第一等离子体作用相反的线性啁啾色散，所述目标激光脉冲具有无啁啾特性；
其中，所述第一密度参数与所述第二密度参数是根据所述待调谐激光脉冲的激光参数与所述目标频率所确定的，所述第一密度参数与所述第二密度参数不同，密度参数包括等离子体分布的密度和长度。
11.根据权利要求10所述的系统，其特性在于，所述系统还包括：
控制装置，用于获取所述待调谐激光脉冲所需调谐到的目标频率以及所述待调谐激光脉冲具有的激光参数，所述激光参数包括以下至少一种：波长、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率、聚焦光斑半径、聚焦光强；根据所述目标频率以及所述激光参数，确定所述第一等离子体应具有的第一密度参数以及所述第二等离子体应具有的第二密度参数；
等离子体产生装置，用于根据所述第一密度参数以及所述第二密度参数，向所述第一激光脉冲频移装置中产生具有所述第一密度参数的第一等离子体，以及向所述第二激光脉冲频移装置中产生具有第二密度参数的第二等离子体。
12.根据权利要求10所述的系统，其特性在于，所述系统还包括：
激光压缩聚焦装置，用于对激光脉冲产生装置产生的初始激光脉冲进行压缩和聚焦，得到压缩聚焦后的所述待调谐激光脉冲，并将所述待调谐激光脉冲传输至所述第一激光脉冲频移装置，以将所述待调谐激光脉冲射入所述第一等离子体。
13.根据权利要求10所述的系统，其特性在于，所述系统还包括：
激光聚焦装置，用于对所述中间激光脉冲进行聚焦，得到聚焦后的中间激光脉冲并将所述聚焦后的中间激光脉冲传输至所述第二激光脉冲频移装置，以将聚焦后的中间激光脉冲射入所述第二等离子体。
14.一种多级激光脉冲调谐系统，其特征在于，包括：
激光脉冲产生装置，用于产生初始激光脉冲；以及，
至少两个如权利要求10至13任一项所述的激光调谐系统，用于对所述初始激光脉冲进行至少两级激光调谐。
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