高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程，其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程，工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点，以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点，从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面，综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法，为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。

提出一种基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲大动态范围时间同步单次测量方法,弥补了非线性相关法测量同步状态时测量范围小和示波器测量时分辨率差的不足,解决了同步测量中空间光路的复杂性和单次实时测量的难题。首先对多路光纤阵列干涉测量进行仿真计算,然后设计四路脉冲传输的光路并在实验中验证多路同步单次测量方法的可行性,最后详细分析测量误差的来源和影响。该测量方法的最小同步时间精度为5.3 fs,测量范围为1.055~14.751 ps,与仿真结果有较好的一致性。该测量方法具有光纤链路易于集成、光谱干涉数据处理速度快、测量信号能量需求低等优势,在多路超短脉冲激光相干合束系统中有重要应用前景。

由于超短超强激光装置中光谱带宽较宽,使用传统的空间滤波器透镜组扩束会导致装置色差的积累,严重影响终端焦斑的质量。介绍了国内外用于超短超强激光装置中消除色差影响的主要技术与研究进展,对比总结了几种主要方案的优缺点,并提出了一种可动态精确补偿装置色差的方案,经实验验证已应用于实际工程中。最后对色差补偿的发展方向进行了分析与展望。

等离子体镜是一种有效提升高功率超短脉冲激光信噪比的方法,但在一部分实验中使用等离子体镜后焦斑出现了退化现象。为了定量研究等离子体镜的焦斑退化问题,提出基于等离子体膨胀和衍射传输的时空聚焦多步传输算法,通过光束质量评价函数定量分析等离子体膨胀时间、波前误差幅值和空间频率对焦斑退化的影响。仿真结果表明,等离子体镜引起的远场焦斑退化主要是由等离子体膨胀时间和波前误差引起的等离子体膨胀不均匀所致,其中,等离子体膨胀时间是主导因素。并且波前误差的幅度越大、空间频率越低,对聚焦能力的影响相对越大。从高信噪比、高功率激光系统输出能力的角度考虑,对于使用等离子体镜的高功率超短脉冲激光系统提出时空上的光束质量要求,以避免远场焦斑的退化问题。

重复频率激光放大器是实现重复频率激光器的关键器件,其重复频率取决于对抽运及放大过程中产生热量的有效控制。针对千焦耳量级输出重复频率激光器的需求,通过合理的结构设计、冷却液选型及测试等,研制出一台基于氙灯抽运、钕玻璃增益介质、液体冷却、通光直径为Φ130 mm的激光放大器样机。测试结果表明,该放大器样机可实现每分钟一次的重复频率运行,同时具备双程1.3189倍净增益,双程动态波前PV(peak to valley)平均值为0.2718波长(λ)(20 ℃,λ=1053 nm,10发次计)和0.3223λ(30 ℃,λ=1053 nm,10发次计)。

高功率超短脉冲激光系统中,空间滤波器透射元件引入的色差会影响系统的聚焦功率密度。针对这一问题,提出一种具备动态调节能力的色差预补偿方案。该方案由正负透镜和反射系统构成共焦像传递系统,能够实现全系统色差的动态精确补偿。基于该方案为神光-II 5 PW(SG-II 5 PW)激光系统设计并搭建了色差预补偿光路。实验结果表明,通过精密调节该单元内部透镜间距能够精确补偿全系统的色差,显著提升系统峰值功率密度。经过色差补偿后,在SG-II 5 PW系统开展质子加速实验,获得了超过16 MeV的质子产额。

为了提高神光II 5 PW (SGII-5 PW) 超短脉冲激光系统的运行安全性, 针对大能量光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)光束近场分布均匀性问题, 从理论上进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比分析。在1 PW级放大器模拟中, 以预放大器以及神光II大能量抽运脉冲的测量数据为基础, 利用参量耦合波方程组数值模拟方法, 得到了近场填充因子与光通量对比度在光参量放大过程中的演变, 并结合转换效率与输出稳定性进行讨论, 得到了对应于高光束质量、高转换效率与高稳定性的非线性晶体长度优化范围, 结果还表明抽运光对放大后光束均匀性影响较大, 进一步提升神光II第7路光束质量是大幅提升第2级OPCPA (OPCPA-II)光束均匀性的切实途径。

分析了空间啁啾对宽带光谱超短脉冲激光系统的影响, 提出了利用波前传感器研究神光II 5 PW (SG-II-5 PW)装置空间啁啾的实验方法。实验中采集了宽光谱超短脉冲激光经过展宽器及多级空间滤波器后的波前特征, 测量了系统光路产生的横向空间啁啾和波前像差中心相对系统光轴的偏移量, 并通过实时调节色散调节器来消除激光装置的空间啁啾。对比分析了横向空间啁啾被消除前后的波前分布, 计算结果表明SG-II-5 PW装置激光光束的聚焦性能和远场能量集中度可得到显著提升。

The prompt pump-induced wavefront characteristic of high power laser facility is undertaken to address an important aspect of the wavefront control system for the high power laser facility. Based on the ShenGuang Ⅱ four-pass amplification high power laser facility (SG-Ⅱ-FAF), numerical simulation is conducted on the prompt pump-induced wavefront distortion through ANSYS and Matlab. In order to obtain the space-time characteristics and variation features, the Hartmann wavefront analyzer is employed to conduct experiments on prompt pump-induced wavefront distortion and thermal wavefront recovery aberration after xenon lamp pumping. The numerical simulation results agree well with experimental results. The prompt pump-induced wavefront distortion of single-slab-amplifier is about 0.12λ (wavelength λ=1053 nm) of peak-to-valley (PV), and the whole optical wavefront of the SG-Ⅱ-FAF is about 5λ of PV with different laser beams, whose shape looks like a “saddle”. Simulations and experiments provide important data for the wavefront control system of SG-Ⅱ-FAF, emission laser passing through the space filters sucessfully and pumping uniformity of slab Ndglass amplifier. As a result, the far-field focus spot energy concentration of the laser beam is improved, meanwhile the success rate and the working efficiency of the SG-Ⅱ-FAF operational experiment are increased.

高功率激光驱动器动态波前特征及其规律是激光驱动器光束波前质量控制关键研究内容之一。以神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器为研究平台，使用ANSYS和Matlab对激光驱动器瞬时动态波前进行了模拟计算，并利用哈特曼波前分析仪对驱动器氙灯抽运引入的瞬时动态像差和热恢复像差进行了实验研究，得到其时空特性和变化规律。理论模拟和实验结果具有一致性，单片片状放大器动态像差峰谷(PV)值约为0.12λ (波长λ=1053 nm)，驱动器总体瞬时动态像差PV值约为5λ ，呈“瓦片”形态。模拟计算和实验分析为神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器光束波前质量控制、激光发射顺利通过空间滤波器和片状放大器抽运均匀性优化等提供了重要的参考数据，提升了输出光束远场焦斑能量集中度，提高了驱动器激光发射的成功率和运行效率。