前端預(yù)放系統(tǒng)作為高功率激光裝置的源頭，其主要功能是產(chǎn)生時(shí)域、頻域、偏振、空域等各項(xiàng)特性獨(dú)立可控的高品質(zhì)種子激光脈沖。
1前端預(yù)放系統(tǒng)
1.1 第一代前端預(yù)放系統(tǒng)
在高功率激光裝置建設(shè)之初，基于固體激光技術(shù)的前端系統(tǒng)攻關(guān)重點(diǎn)集中在時(shí)間域：時(shí)間包絡(luò)勻滑的整形脈沖和各檔脈沖的精確同步。
神光裝置在九十年代就采用了LD抽運(yùn)單縱模激光器和光觸發(fā)的同步技術(shù)。所攻克的四個(gè)技術(shù)難題有：?jiǎn)慰v模種子源的發(fā)生技術(shù)；時(shí)間脈沖整形技術(shù)；短脈沖種子源發(fā)生技術(shù)；長(zhǎng)短脈沖的同步技術(shù)。
種子源攻關(guān)的重點(diǎn)是獲得光滑的時(shí)間包絡(luò)，避免由跳模引起的異常高峰值激光輸出及其帶來(lái)的光學(xué)元件損傷。高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)合室”）在八九十年代成功解決了調(diào)Q單縱模振蕩器腔長(zhǎng)控制的物理和技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。利用高壓電脈沖經(jīng)過(guò)微帶傳輸線后所產(chǎn)生的整形電脈沖驅(qū)動(dòng)普克爾盒電光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了激光脈沖的時(shí)間整形[2]。
采用Nd:YAG被動(dòng)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了短脈沖輸出[3]。利用GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)電阻隨照射光強(qiáng)的增大而線性減少的特性，首次研制成高靈敏度、超快激光正反饋迴路，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Nd:YAG激光的鎖模、自動(dòng)跟蹤選單縱模、調(diào)Q和兩臺(tái)激光器的輸出同步，同步精度達(dá)到納秒量級(jí)[4]。
上述工作為神光I和神光II裝置的成功運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。
1.2 第二代前端預(yù)放系統(tǒng)
圖 新一代集成化前端系統(tǒng)
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合室在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了基于集成波導(dǎo)前端系統(tǒng)的研制攻關(guān)[5-6]，先后完成了神光II系列裝置新型前端種子源的工程樣機(jī)的研制工作，集成了單縱模光纖激光器[7-8]、光纖放大器、高速集成波導(dǎo)調(diào)制器[9]等前沿技術(shù)，系統(tǒng)指標(biāo)與性能全面實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)需求。采用短脈沖觸發(fā)結(jié)合硅光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度同步輸出[10]。
近幾年來(lái)，隨著單元和集成技術(shù)的發(fā)展，新一代神光II裝置更是形成了具備時(shí)間同步、光譜、時(shí)間功率曲線、偏振、近場(chǎng)、能量穩(wěn)定性等高精度控制能力的前端預(yù)放系統(tǒng)。其中，全域光束控制能力達(dá)到了世界先進(jìn)水平，可有效支撐在聚變級(jí)驅(qū)動(dòng)裝置的激光物理參數(shù)的調(diào)控能力。
2前端預(yù)放系統(tǒng)核心技術(shù)進(jìn)展
2.1 高精度高穩(wěn)定同步觸發(fā)技術(shù)
各檔脈沖的高精度高穩(wěn)定同步性能是高能密度物理狀態(tài)演化的主動(dòng)診斷、快點(diǎn)火研究、高效率內(nèi)爆研究等方面的核心需求。多檔脈沖的精確同步是前端分系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)指標(biāo)之一。
聯(lián)合室提出光觸發(fā)的同步技術(shù)方案，并采用光纖堆積和數(shù)模轉(zhuǎn)換等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)短脈沖同步精度優(yōu)于4.1 ps（rms）（2小時(shí)）[11]。
由于光觸發(fā)同步技術(shù)受限于鎖模激光器序列的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)室就此提出同源時(shí)鐘鎖定，鎖模激光分頻的高精度同步方案，長(zhǎng)短脈沖同步精度小于20 ps（PV）、3 ps( rms)（2小時(shí)）。
建立了多路物理測(cè)試診斷所需電時(shí)標(biāo)和高精度同步觸發(fā)系統(tǒng)。信號(hào)與主激光之間的時(shí)間抖動(dòng)＜3 ps(rms),20 ps（PV），且滿足一定的延遲調(diào)節(jié)量。
上述同步技術(shù)均已應(yīng)用于神光II系列裝置中[12]。
2.2 高精度時(shí)間整形技術(shù)
建立了高精度時(shí)間脈沖整形閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用2ns窗口誤差分析時(shí)，閉環(huán)后的脈沖波形全窗口的偏差控制到10%（PV）以內(nèi)，主脈沖偏差3%（PV）以內(nèi)。該技術(shù)為物理實(shí)驗(yàn)提供了有效的技術(shù)支撐。
2.3 光譜調(diào)制展寬與檢測(cè)技術(shù)
頻域調(diào)控單元目前主要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是用于抑制大口徑石英元件的橫向受激布里淵散射效應(yīng)的光譜展寬；二是滿足ICF高功率激光裝置焦斑束勻滑需求的光譜展寬。
體位相調(diào)制器是高功率激光驅(qū)動(dòng)器二維光譜色散勻滑技術(shù)的關(guān)鍵單元，聯(lián)合室在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了3.25 GHz和10.302 GHz工作頻率的高頻體位相調(diào)制器的研制，建立了從設(shè)計(jì)、加工、以及綜合集成的初步工藝，實(shí)現(xiàn)了高性能的原理樣機(jī)。該技術(shù)單元的成功研制突破了我國(guó)2D-SSD技術(shù)發(fā)展的制約瓶頸，為后續(xù)相關(guān)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的器件基礎(chǔ)[13]。
圖 調(diào)制器樣機(jī)實(shí)物圖（左圖）；10.3GHz體位相調(diào)制器的S11曲線（右圖）
同時(shí)也在國(guó)內(nèi)首次利用光纖光柵邊緣濾波的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光譜的安全監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制。當(dāng)光譜未被展寬時(shí)，切斷系統(tǒng)光路，以保證后續(xù)大口徑光學(xué)元件的安全運(yùn)行。
單次激光脈沖的高分辨率光譜測(cè)試是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。聯(lián)合室采用一組體光柵，研制了分辨率為3 pm，量程為1.2 nm@1053nm的可利用光纖取樣的高分辨單次光譜儀，為高功率激光裝置的光譜控制技術(shù)提供了重要的測(cè)試手段。
圖 高分辨光纖光譜儀（左圖），與波長(zhǎng)計(jì)定標(biāo)結(jié)果（右圖）
2.4 單偏振控制技術(shù)
聯(lián)合室在國(guó)內(nèi)首次構(gòu)建了基于單偏振光纖傳輸體系的前端系統(tǒng)，驗(yàn)證了單偏振前端系統(tǒng)對(duì)偏振模色散所引起的幅度調(diào)制的穩(wěn)定抑制[14]。同時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)由頻率調(diào)制所引起的幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[15]。
2.5 近場(chǎng)強(qiáng)度控制技術(shù)
近場(chǎng)強(qiáng)度控制技術(shù)是提升高功率激光系統(tǒng)運(yùn)行通量水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。近場(chǎng)強(qiáng)度控制器件的技術(shù)難點(diǎn)主要是高精度的近場(chǎng)強(qiáng)度控制能力、小波前畸變、高透射率以及高破壞閾值。
聯(lián)合室在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了通光區(qū)域透過(guò)率達(dá)99.9%、損傷閾值高于15 J/cm2@3ns的小波前畸變的靜態(tài)近場(chǎng)整形元件的設(shè)計(jì)、加工以及工程應(yīng)用[13]。該器件一是可以作為激光系統(tǒng)中軟邊光闌使用，對(duì)激光近場(chǎng)的邊緣輪廓進(jìn)行整形；二是可以實(shí)現(xiàn)激光系統(tǒng)中近場(chǎng)強(qiáng)度分布的精確控制[16]。
圖 高損傷閾值靜態(tài)近場(chǎng)控制元件實(shí)物圖（左圖）和整形效果圖（右圖）
為滿足高功率激光裝置對(duì)激光的實(shí)時(shí)近場(chǎng)控制需求，聯(lián)合室研制了基于光尋址空間光調(diào)制器的高效集成化近場(chǎng)主動(dòng)控制器件[17-19]，其通光口徑22 mm×22 mm；波前畸變0.3λ(13 mm×13 mm);λ(22 mm×22 mm)；透過(guò)率大于85%。
圖 光尋址液晶空間光調(diào)制器實(shí)物圖（左）和 近場(chǎng)空間強(qiáng)度分布控制效果圖（右）
至此，聯(lián)合室實(shí)現(xiàn)了靈活的近場(chǎng)強(qiáng)度控制技術(shù)，既有高損傷閾值的靜態(tài)近場(chǎng)控制元件，又有在線可實(shí)時(shí)調(diào)控的透射式空間光調(diào)制器件。目前，上述兩類器件均已經(jīng)在神光II系列裝置上運(yùn)行，并應(yīng)用于其他研究領(lǐng)域。
2.6 高增益預(yù)放大器技術(shù)
預(yù)放大系統(tǒng)是高功率激光裝置最大增益段，總增益大于90 dB，新型預(yù)放系統(tǒng)由兩到三級(jí)放大器組成。第一級(jí)采用再生放大構(gòu)型，后級(jí)多采用多程構(gòu)型。
釹玻璃再生放大器具有帶寬寬、高穩(wěn)定、高效率等顯著優(yōu)點(diǎn)，作為預(yù)放單元在高功率裝置的輸出能量穩(wěn)定性和功率平衡的精確控制方面具有突出優(yōu)勢(shì)。
聯(lián)合室在長(zhǎng)脈寬釹玻璃再生放大器領(lǐng)域進(jìn)行多年開(kāi)發(fā)與改進(jìn)[20]，完成了放大器的研制，輸出能量10 mJ/1 Hz，穩(wěn)定性優(yōu)于1%（rms）,并進(jìn)行了長(zhǎng)期工程化運(yùn)行考核。目前已具備和國(guó)際水平相當(dāng)?shù)母咝阅芨叻€(wěn)定釹玻璃長(zhǎng)脈寬再生放大器的生產(chǎn)能力。
圖 釹玻璃再生放大器實(shí)物圖（上圖），能量穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果（下圖）
同時(shí)攻關(guān)研制了焦耳級(jí)離軸四程放大的單次預(yù)放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了總增益12500倍，輸出能量達(dá)到10 J的高品質(zhì)激光放大脈沖，為下一代小型化預(yù)放系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[21]。
圖 離軸四程放大器的光路示意圖（左圖）和近場(chǎng)分布（右圖）
以提升全系統(tǒng)運(yùn)行效率為目標(biāo)的重頻預(yù)放系統(tǒng)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室研制的焦耳級(jí)重頻預(yù)放系統(tǒng)采用同軸四程放大器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率1 Hz，輸出能量1.2 J；穩(wěn)定性1.2%（rms）；近場(chǎng)調(diào)制度1.2:1（光束口徑7mm x7mm）；遠(yuǎn)場(chǎng)95%的能量集中在3倍衍射極限內(nèi)。該技術(shù)指標(biāo)在氙燈抽運(yùn)重復(fù)頻率釹玻璃放大器技術(shù)領(lǐng)域?qū)偈状螆?bào)道[22]。
圖 重頻預(yù)放系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)輸出二維和一維圖
2.7 高信噪比皮秒短脈沖光源技術(shù)
高增益高信噪比皮秒OPCPA種子源的研制有利于提高整個(gè)高功率短脈沖激光系統(tǒng)的信噪比，它從噪聲產(chǎn)生根源出發(fā)，將參量熒光限制在皮秒時(shí)域窗口內(nèi)，同時(shí)降低后續(xù)納秒域OPCPA的增益需求，是目前國(guó)際上提高信噪比的主要途徑之一。
聯(lián)合室自主搭建的皮秒毫焦耳多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及皮秒OPCPA高信噪比注入種子光，各項(xiàng)指標(biāo)不僅滿足工程上的需求，而且在能量、穩(wěn)定性、信噪比、近遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量等方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[23-24]。
2.8 納秒焦耳級(jí)OPCPA抽運(yùn)源技術(shù)
為了獲得較好的OPCPA輸出穩(wěn)定性，要求OPCPA抽運(yùn)源脈沖時(shí)間波形為方波、光強(qiáng)近場(chǎng)分布近平頂、時(shí)間同步精度高、輸出能量穩(wěn)定。
2010年投入運(yùn)行的焦耳級(jí)納秒OPCPA抽運(yùn)源，為神光II第九路高性能OPCPA預(yù)放大器輸出乃至PW系統(tǒng)的高性能輸出提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。
3 總結(jié)和展望
經(jīng)過(guò)近三十年的積淀，前端預(yù)放技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可滿足聚變級(jí)驅(qū)動(dòng)器的功能和性能需求。同時(shí)，經(jīng)多年的攻關(guān)，在單元技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)方面取得了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。
展望未來(lái)，高能密度物理與應(yīng)用研究物理實(shí)驗(yàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的需求將進(jìn)一步提高，期望著高功率激光裝置具備更為靈活和精益求精的光束控制能力，聯(lián)合室將砥礪前行，繼續(xù)在相關(guān)領(lǐng)域踏實(shí)攻關(guān)，取得更多的技術(shù)突破。
致謝：感謝前端組全體人員。
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