前端预放系统作为高功率激光装置的源头,其主要功能是产生时域、频域、偏振、空域等各项特性独立可控的高品质种子激光脉冲。

1 前端预放系统

1.1 第一代前端预放系统

在高功率激光装置建设之初,基于固体激光技术的前端系统攻关重点集中在时间域:时间包络匀滑的整形脉冲和各档脉冲的精确同步。

神光装置在九十年代就采用了LD抽运单纵模激光器和光触发的同步技术。所攻克的四个技术难题有:单纵模种子源的发生技术;时间脉冲整形技术;短脉冲种子源发生技术;长短脉冲的同步技术。

种子源攻关的重点是获得光滑的时间包络,避免由跳模引起的异常高峰值激光输出及其带来的光学元件损伤。高功率激光物理国家实验室(以下简称“联合室”)在八九十年代成功解决了调Q单纵模振荡器腔长控制的物理和技术问题,实现了长时间稳定的单纵模运转[1]。利用高压电脉冲经过微带传输线后所产生的整形电脉冲驱动普克尔盒电光开关实现了激光脉冲的时间整形[2]。

采用Nd:YAG被动锁模技术实现了短脉冲输出[3]。利用GaAs光电导开关电阻随照射光强的增大而线性减少的特性,首次研制成高灵敏度、超快激光正反馈迴路,在此基础上实现了Nd:YAG激光的锁模、自动跟踪选单纵模、调Q和两台激光器的输出同步,同步精度达到纳秒量级[4]。

上述工作为神光I和神光II装置的成功运行起到关键作用。

1.2 第二代前端预放系统

图 新一代集成化前端系统

随着通信技术的发展,联合室在国内率先开展了基于集成波导前端系统的研制攻关[5-6],先后完成了神光II系列装置新型前端种子源的工程样机的研制工作,集成了单纵模光纤激光器[7-8]、光纤放大器、高速集成波导调制器[9]等前沿技术,系统指标与性能全面实现工程设计需求。采用短脉冲触发结合硅光电导开关技术实现了高精度同步输出[10]。

近几年来,随着单元和集成技术的发展,新一代神光II装置更是形成了具备时间同步、光谱、时间功率曲线、偏振、近场、能量稳定性等高精度控制能力的前端预放系统。其中,全域光束控制能力达到了世界先进水平,可有效支撑在聚变级驱动装置的激光物理参数的调控能力。

2 前端预放系统核心技术进展

2.1 高精度高稳定同步触发技术

各档脉冲的高精度高稳定同步性能是高能密度物理状态演化的主动诊断、快点火研究、高效率内爆研究等方面的核心需求。多档脉冲的精确同步是前端分系统中最为核心的技术指标之一。

联合室提出光触发的同步技术方案,并采用光纤堆积和数模转换等技术实现了长短脉冲同步精度优于4.1 ps(rms)(2小时)[11]。

由于光触发同步技术受限于锁模激光器序列的稳定性,实验室就此提出同源时钟锁定,锁模激光分频的高精度同步方案,长短脉冲同步精度小于20 ps(PV)、3 ps( rms)(2小时)。

建立了多路物理测试诊断所需电时标和高精度同步触发系统。信号与主激光之间的时间抖动<3 ps(rms),20 ps(PV),且满足一定的延迟调节量。

上述同步技术均已应用于神光II系列装置中[12]。

2.2 高精度时间整形技术

建立了高精度时间脉冲整形闭环控制系统,采用2ns窗口误差分析时,闭环后的脉冲波形全窗口的偏差控制到10%(PV)以内,主脉冲偏差3%(PV)以内。该技术为物理实验提供了有效的技术支撑。

2.2 高精度时间整形技术

建立了高精度时间脉冲整形闭环控制系统,采用2ns窗口误差分析时,闭环后的脉冲波形全窗口的偏差控制到10%(PV)以内,主脉冲偏差3%(PV)以内。该技术为物理实验提供了有效的技术支撑。

2.3 光谱调制展宽与检测技术

频域调控单元目前主要解决两个问题,一是用于抑制大口径石英元件的横向受激布里渊散射效应的光谱展宽;二是满足ICF高功率激光装置焦斑束匀滑需求的光谱展宽。

体位相调制器是高功率激光驱动器二维光谱色散匀滑技术的关键单元,联合室在国内首次实现了3.25 GHz和10.302 GHz工作频率的高频体位相调制器的研制,建立了从设计、加工、以及综合集成的初步工艺,实现了高性能的原理样机。该技术单元的成功研制突破了我国2D-SSD技术发展的制约瓶颈,为后续相关研究奠定了坚实的器件基础[13]。

图 调制器样机实物图(左图);10.3GHz体位相调制器的S11曲线(右图)

同时也在国内首次利用光纤光栅边缘滤波的技术实现了光谱的安全监测闭环控制。当光谱未被展宽时,切断系统光路,以保证后续大口径光学元件的安全运行。

单次激光脉冲的高分辨率光谱测试是一个技术难点。联合室采用一组体光栅,研制了分辨率为3 pm,量程为1.2 nm@1053nm的可利用光纤取样的高分辨单次光谱仪,为高功率激光装置的光谱控制技术提供了重要的测试手段。

图 高分辨光纤光谱仪(左图),与波长计定标结果(右图)

2.4 单偏振控制技术

联合室在国内首次构建了基于单偏振光纤传输体系的前端系统,验证了单偏振前端系统对偏振模色散所引起的幅度调制的稳定抑制[14]。同时,针对系统由频率调制所引起的幅度调制实现了实时监测[15]。

2.5 近场强度控制技术

近场强度控制技术是提升高功率激光系统运行通量水平的关键技术之一。近场强度控制器件的技术难点主要是高精度的近场强度控制能力、小波前畸变、高透射率以及高破坏阈值。

联合室在国内首次实现了通光区域透过率达99.9%、损伤阈值高于15 J/cm2@3ns的小波前畸变的静态近场整形元件的设计、加工以及工程应用[13]。该器件一是可以作为激光系统中软边光阑使用,对激光近场的边缘轮廓进行整形;二是可以实现激光系统中近场强度分布的精确控制[16]。

图 高损伤阈值静态近场控制元件实物图(左图)和整形效果图(右图)

为满足高功率激光装置对激光的实时近场控制需求,联合室研制了基于光寻址空间光调制器的高效集成化近场主动控制器件[17-19],其通光口径22 mm×22 mm;波前畸变0.3λ(13 mm×13 mm);λ(22 mm×22 mm);透过率大于85%。

图 光寻址液晶空间光调制器实物图(左)和 近场空间强度分布控制效果图(右)

至此,联合室实现了灵活的近场强度控制技术,既有高损伤阈值的静态近场控制元件,又有在线可实时调控的透射式空间光调制器件。目前,上述两类器件均已经在神光II系列装置上运行,并应用于其他研究领域。

2.6 高增益预放大器技术

预放大系统是高功率激光装置最大增益段,总增益大于90 dB,新型预放系统由两到三级放大器组成。第一级采用再生放大构型,后级多采用多程构型。

钕玻璃再生放大器具有带宽宽、高稳定、高效率等显著优点,作为预放单元在高功率装置的输出能量稳定性和功率平衡的精确控制方面具有突出优势。

联合室在长脉宽钕玻璃再生放大器领域进行多年开发与改进[20],完成了放大器的研制,输出能量10 mJ/1 Hz,稳定性优于1%(rms),并进行了长期工程化运行考核。目前已具备和国际水平相当的高性能高稳定钕玻璃长脉宽再生放大器的生产能力。

图 钕玻璃再生放大器实物图(上图),能量稳定性测试结果(下图)

同时攻关研制了焦耳级离轴四程放大的单次预放系统,实现了总增益12500倍,输出能量达到10 J的高品质激光放大脉冲,为下一代小型化预放系统奠定了技术基础[21]。

图 离轴四程放大器的光路示意图(左图)和近场分布(右图)

以提升全系统运行效率为目标的重频预放系统是当前的研究热点。实验室研制的焦耳级重频预放系统采用同轴四程放大器结构,实现了重复频率1 Hz,输出能量1.2 J;稳定性1.2%(rms);近场调制度1.2:1(光束口径7mm x7mm);远场95%的能量集中在3倍衍射极限内。该技术指标在氙灯抽运重复频率钕玻璃放大器技术领域属首次报道[22]。

图 四程放大器近场输出(a:未采用近场控制技术;b:采用了近场预补偿)

图 重频预放系统远场输出二维和一维图

2.7 高信噪比皮秒短脉冲光源技术

高增益高信噪比皮秒OPCPA种子源的研制有利于提高整个高功率短脉冲激光系统的信噪比,它从噪声产生根源出发,将参量荧光限制在皮秒时域窗口内,同时降低后续纳秒域OPCPA的增益需求,是目前国际上提高信噪比的主要途径之一。

联合室自主搭建的皮秒毫焦耳多功能实验平台以及皮秒OPCPA高信噪比注入种子光,各项指标不仅满足工程上的需求,而且在能量、稳定性、信噪比、近远场光束质量等方面达到国际先进水平[23-24]。

2.8 纳秒焦耳级OPCPA抽运源技术

为了获得较好的OPCPA输出稳定性,要求OPCPA抽运源脉冲时间波形为方波、光强近场分布近平顶、时间同步精度高、输出能量稳定。

2010年投入运行的焦耳级纳秒OPCPA抽运源,为神光II第九路高性能OPCPA预放大器输出乃至PW系统的高性能输出提供了关键的技术支撑。

3 总结和展望

经过近三十年的积淀,前端预放技术已达到国际先进水平,可满足聚变级驱动器的功能和性能需求。同时,经多年的攻关,在单元技术和系统集成技术方面取得了多项关键技术突破。

展望未来,高能密度物理与应用研究物理实验对驱动器的需求将进一步提高,期望着高功率激光装置具备更为灵活和精益求精的光束控制能力,联合室将砥砺前行,继续在相关领域踏实攻关,取得更多的技术突破。

致谢:感谢前端组全体人员。

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