激光测控系统主要由激光参数测量、激光光路自动准直和激光总控制室三个子系统组成,是高功率激光驱动器的重要组成部分。高功率激光驱动器工作时的所有性能指标及重要数据几乎都由激光测控系统在线提供。

1.激光参数测量系统

激光参数测量系统是一个具体负责激光驱动器参数采集与测量的系统。它主要由三个测量分支组成,即激光束的能量测量、激光束的空间分布测量、激光束的时间测量。这三个测量单元的数据,是一个激光系统最重要的数据。它不仅仅是评估一个高功率激光装置工作状态、装置能力与水平的重要依据,同时还为实验提供必不可少的物理数据。

(1)激光能量测量

激光能量测量是激光参数测量中一个最基本的单元。准确测定打靶激光能量对实验数据的分析处理具有非常重要的意义。激光能量测量研究分四个部分:

高灵敏、高性能体吸收激光能量计的研制; 高精度、高稳定性放大显示数据采集仪的研制; 激光能量测量取样方式的选择及提高测量精度的措施; 激光能量测量结果的数据分析处理。

在激光能量测量研究中,激光能量计(卡记)的研制是关键。激光能量计的原理是将被测的激光束照射到一种高灵敏度的吸收体上转换成热能,再通过电路设计将其真实地度量出来。

由于被测量的高功率激光为纳秒级,激光作用于吸收体的时间非常短暂,能量微小,因此激光能量计的研制是一项很有难度的研究项目。测量科研人员经过几十年的刻苦钻研,研制了多种型号与规格的激光能量计,经中国计量院测试标定,在灵敏度、均匀性、稳定性等方面超过了原设计指标,达到或超过美国阿波罗激光器公司制造的同类型激光能量计水平。

在为神光II装置研制的Φ300mm大口径能量计中,采用了有足够吸收深度的中性离子着色玻璃作吸收体,提高了接受器的能量功率负载密度;采用新型的半导体热电转换元件,提高了能量计的响应度;同时还采用了成对设计的热电堆差分结构和双层热屏蔽的隔离措施,解决了大口径能量计的灵敏度与均匀性、灵敏度与稳定性两大矛盾,使研制的大口径激光能量计性能优良,其灵敏度比美国利弗莫尔国家实验室研制的同类型激光能量计的灵敏度高两个量级。

(2)激光空间分布测量

激光空间分布测量是激光测量系统的一个重要分支,主要由激光束的近场分布和激光束的远场分布两部分组成。

      伴随着激光科学的发展,激光束的空间分布越来越受到重视。在高功率激光的发展史上,激光束的空间分布研究是最重要的领域,它的水平在极大程度上决定了激光装置的水平和规模。


近场空间分布图

在神光II装置的成功研制中,激光光束空间分布诊断仪的研制是至关重要的一笔。由林尊琪院士创新设计的“三暗室小孔耦合激光近场诊断仪”和“激光远场诊断中二步法诊断六个数量级激光远场旁瓣强度分布技术”,不但完善了激光测控中,激光束空间分布的测量手段,而且还拓展了新的测量技术,使激光束的空间分布得到了更全面深入的展现。

《慧眼识光束——神光I、II激光束空间参数检测回顾与展望》一文曾对激光束的近场和远场测量进行了细致的讲解。

(3)激光时间特性测量

激光时间测量主要是实时监测神光II综合装置末级输出的脉冲激光波形,各路激光打靶时同时到达靶心的激光时间同步测量,以及超短脉冲实验时的激光时间测量。

激光时间波形是指激光强度随时间变化的形态,是物理模拟计算的一个重要参数。在高功率激光系统中,激光时间测量主要分为ns级测量和超短时间ps测量。

在ns级激光系统中,主要采用快响应光电探头和快响应示波器组成的测试系统,由于快响应光电管具有上升快(60 ps)下沿降(55 ps),对基频、二倍频及三倍频波段都有响应,因此它和快响应示波器组成的测量系统已成为高功率激光装置的标配,使用该脉冲时间测量系统其波形测量的测量精度优于10%。

在超短脉冲激光时间波形测量中,皮秒级的测量一般采用条纹相机测量(时间分辨率约2个皮秒),而飞秒级需采用自相关技术测量。

激光时间同步(等光程)测量,是指多束激光同步到达靶点的时间测量,是激光束靶面功率平衡的重要保证。据物理计算,若两束光同步时间差25 ps则将导致10%功率不平衡。而功率平衡对于实现多束激光对靶的均匀压缩极为重要。美国LLNL实验室的同步精度要求为10 ps。

联合室的神光II综合装置的时间同步精度为10 ps,如果选用红外条纹相机协助精调和控制,同步精度还能提高。2000年4月,在神光II装置首轮直接驱动实验中,最高获得中子产额3.9×109,是国际同类装置的最高水平,当时测得的时间同步精度为6 ps。

在激光时间测量中,具有鲜明时间特征的脉冲激光信噪比测量也是主激光输出重要参数之一。脉冲激光的信噪比是指主激光脉冲与其之前的小脉冲(或称予脉冲)所对应的能量比。它是衡量激光脉冲质量的参数。信噪比测量的精度主要取决于准确判读噪声出现的时间位置,联合室自主研发的光电导开关解决了这一难题。

围绕高能激光拍瓦系统所展开的皮秒级激光参数测量,是测控组工作的另一重点。在青年科研人员的刻苦钻研下,并通过与上海交通大学等单位的合作,测控组已成功实现了对拍瓦激光系统这一全新领域的激光参数测量,有些测试技术与结果已在国际学术会议和国外重要的学术刊物上发表。2016年又取得了拍瓦系统信噪比108的测量结果,使实验室在该领域的工作达到世界一流水平。


第九路拍瓦激光的光谱测量结果 第九路拍瓦激光的信噪比测量结果

2.光路自动准直系统

光路自动准直系统是所有大型高功率激光装置必不可少的组成部分。激光束的光路自动准直是任何激光装置在打靶实验前必须运行的重要工作环节。

激光装置对于光路自动准直的系统设计要求主要包含有调整精度和调整时间的指标要求。调整精度包括光束远场的角度指向调整精度即角移精度,光束近场的中心平移调整精度即平移精度,光束近场方位旋转调整精度即旋转精度。

在当时的神光I装置上,激光系统的光路调试主要依赖于人工调试,科研人员要将激光振荡器输出的种子光源,沿着一条上百米的光路,准确通过每个光学元件的中心,最终到达靶室并精准地聚焦在靶丸上。这里的工作量、所需时间以及决定于人眼判定的准直精度,都无法满足更大装置的实验要求。


自动准直图像界面

在神光II装置的研制中,激光光路自动准直系统的研发得到了高度的重视。由陈庆浩负责的准直课题,在学习吸收国内外成熟的经验后,根据神光II装置的要求,创新出“光路自动准直系统中动态校正、黑白对中校正、小步叠代调整技术”。从而使八束激光系统的自动准直时间仅需15分钟,而由计算机自动定位的精度也大大优于人为定位的精度。为神光II装置15年来的高效稳定的运行作出了重要的贡献。

3.集中控制系统

神光II综合装置集中控制系统的设计目标是实现装置运行高度自动化、管理电子化,全方位提高装置运行的效率和水平,更好地服务于客户对物理实验的需求。集中控制系统需集成神光II综合装置各分系统,完成装置运行、维护所需的数据采集、分析、管理、控制和监测等功能,实现新、老装置在同一网络系统下混合运行。

集中控制系统的主要研发内容是:

研制能源终端控制系统
       新增激光参数的采集、存储
       同步单元的远程控制管理、实现同步参数的远程修改和每实验发次的同步参数存储
       管理信息系统的扩充和设计
       数据库系统的扩充设计  
       在完善各分系统终端控制软件的基础上,开展中央控制软件系统的研制


神光综合装置总控制室

随着自动化控制技术的不断发展和计算机技术的飞速进步,新的全集成自动化将采用一种系统完成原来由多种系统搭配组合才能完成的所有功能。

应用这种解决方案,可以大大简化系统的结构,减少大量接口部件,克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。同时,全集成自动化解决方案还可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境,主要包括:统一的数据处理、统一的通讯方式、统一的组态和编程软件及软件质量控制。最终将通过几位操作员在总控制室指挥控制系统实现整个装置的正常运转。

联合室的前身,是邓锡铭先生领导的上海光机所高功率激光研究室,是中国高功率激光的发源地。激光参数测量技术正是在这块土地上成长起来的。30年来,伴随着一代代高功率激光装置的研制,作为高功率激光重要单元技术的激光测控也得到了快速的发展。我们要努力传承前辈们的优良传统,学习前辈们潜心科研、无私奉献的精神和品格,将我们的工作做得更好。