前端預放系統(tǒng)作為高功率激光裝置的源頭，其主要功能是產生時域、頻域、偏振、空域等各項特性獨立可控的高品質種子激光脈沖。
1前端預放系統(tǒng)
1.1 第一代前端預放系統(tǒng)
在高功率激光裝置建設之初，基于固體激光技術的前端系統(tǒng)攻關重點集中在時間域：時間包絡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抽運單縱模激光器和光觸發(fā)的同步技術。所攻克的四個技術難題有：單縱模種子源的發(fā)生技術；時間脈沖整形技術；短脈沖種子源發(fā)生技術；長短脈沖的同步技術。
種子源攻關的重點是獲得光滑的時間包絡，避免由跳模引起的異常高峰值激光輸出及其帶來的光學元件損傷。高功率激光物理國家實驗室（以下簡稱“聯(lián)合室”）在八九十年代成功解決了調Q單縱模振蕩器腔長控制的物理和技術問題，實現了長時間穩(wěn)定的單縱模運轉[1]。利用高壓電脈沖經過微帶傳輸線后所產生的整形電脈沖驅動普克爾盒電光開關實現了激光脈沖的時間整形[2]。
采用Nd:YAG被動鎖模技術實現了短脈沖輸出[3]。利用GaAs光電導開關電阻隨照射光強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，在此基礎上實現了Nd:YAG激光的鎖模、自動跟蹤選單縱模、調Q和兩臺激光器的輸出同步，同步精度達到納秒量級[4]。
上述工作為神光I和神光II裝置的成功運行起到關鍵作用。
1.2 第二代前端預放系統(tǒng)
圖 新一代集成化前端系統(tǒng)
隨著通信技術的發(fā)展，聯(lián)合室在國內率先開展了基于集成波導前端系統(tǒng)的研制攻關[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、高速集成波導調制器[9]等前沿技術，系統(tǒng)指標與性能全面實現工程設計需求。采用短脈沖觸發(fā)結合硅光電導開關技術實現了高精度同步輸出[10]。
近幾年來，隨著單元和集成技術的發(fā)展，新一代神光II裝置更是形成了具備時間同步、光譜、時間功率曲線、偏振、近場、能量穩(wěn)定性等高精度控制能力的前端預放系統(tǒng)。其中，全域光束控制能力達到了世界先進水平，可有效支撐在聚變級驅動裝置的激光物理參數的調控能力。
2前端預放系統(tǒng)核心技術進展
2.1 高精度高穩(wěn)定同步觸發(fā)技術
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)演化的主動診斷、快點火研究、高效率內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)中最為核心的技術指標之一。
聯(lián)合室提出光觸發(fā)的同步技術方案，并采用光纖堆積和數模轉換等技術實現了長短脈沖同步精度優(yōu)于4.1 ps（rms）（2小時）[11]。
由于光觸發(fā)同步技術受限于鎖模激光器序列的穩(wěn)定性，實驗室就此提出同源時鐘鎖定，鎖模激光分頻的高精度同步方案，長短脈沖同步精度小于20 ps（PV）、3 ps( rms)（2小時）。
建立了多路物理測試診斷所需電時標和高精度同步觸發(fā)系統(tǒng)。信號與主激光之間的時間抖動＜3 ps(rms),20 ps（PV），且滿足一定的延遲調節(jié)量。
上述同步技術均已應用于神光II系列裝置中[12]。
2.2 高精度時間整形技術
建立了高精度時間脈沖整形閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用2ns窗口誤差分析時，閉環(huán)后的脈沖波形全窗口的偏差控制到10%（PV）以內，主脈沖偏差3%（PV）以內。該技術為物理實驗提供了有效的技術支撐。
2.3 光譜調制展寬與檢測技術
頻域調控單元目前主要解決兩個問題，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。
體位相調制器是高功率激光驅動器二維光譜色散勻滑技術的關鍵單元，聯(lián)合室在國內首次實現了3.25 GHz和10.302 GHz工作頻率的高頻體位相調制器的研制，建立了從設計、加工、以及綜合集成的初步工藝，實現了高性能的原理樣機。該技術單元的成功研制突破了我國2D-SSD技術發(fā)展的制約瓶頸，為后續(xù)相關研究奠定了堅實的器件基礎[13]。
圖 調制器樣機實物圖（左圖）；10.3GHz體位相調制器的S11曲線（右圖）
同時也在國內首次利用光纖光柵邊緣濾波的技術實現了光譜的安全監(jiān)測閉環(huán)控制。當光譜未被展寬時，切斷系統(tǒng)光路，以保證后續(xù)大口徑光學元件的安全運行。
單次激光脈沖的高分辨率光譜測試是一個技術難點。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提供了重要的測試手段。
圖 高分辨光纖光譜儀（左圖），與波長計定標結果（右圖）
2.4 單偏振控制技術
聯(lián)合室在國內首次構建了基于單偏振光纖傳輸體系的前端系統(tǒng)，驗證了單偏振前端系統(tǒng)對偏振模色散所引起的幅度調制的穩(wěn)定抑制[14]。同時，針對系統(tǒng)由頻率調制所引起的幅度調制實現了實時監(jiān)測[15]。
2.5 近場強度控制技術
近場強度控制技術是提升高功率激光系統(tǒng)運行通量水平的關鍵技術之一。近場強度控制器件的技術難點主要是高精度的近場強度控制能力、小波前畸變、高透射率以及高破壞閾值。
聯(lián)合室在國內首次實現了通光區(qū)域透過率達99.9%、損傷閾值高于15 J/cm2@3ns的小波前畸變的靜態(tài)近場整形元件的設計、加工以及工程應用[13]。該器件一是可以作為激光系統(tǒng)中軟邊光闌使用，對激光近場的邊緣輪廓進行整形；二是可以實現激光系統(tǒng)中近場強度分布的精確控制[16]。
圖 高損傷閾值靜態(tài)近場控制元件實物圖（左圖）和整形效果圖（右圖）
為滿足高功率激光裝置對激光的實時近場控制需求，聯(lián)合室研制了基于光尋址空間光調制器的高效集成化近場主動控制器件[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)；透過率大于85%。
圖 光尋址液晶空間光調制器實物圖（左）和 近場空間強度分布控制效果圖（右）
至此，聯(lián)合室實現了靈活的近場強度控制技術，既有高損傷閾值的靜態(tài)近場控制元件，又有在線可實時調控的透射式空間光調制器件。目前，上述兩類器件均已經在神光II系列裝置上運行，并應用于其他研究領域。
2.6 高增益預放大器技術
預放大系統(tǒng)是高功率激光裝置最大增益段，總增益大于90 dB，新型預放系統(tǒng)由兩到三級放大器組成。第一級采用再生放大構型，后級多采用多程構型。
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，作為預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。
聯(lián)合室在長脈寬釹玻璃再生放大器領域進行多年開發(fā)與改進[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）,并進行了長期工程化運行考核。目前已具備和國際水平相當的高性能高穩(wěn)定釹玻璃長脈寬再生放大器的生產能力。
圖 釹玻璃再生放大器實物圖（上圖），能量穩(wěn)定性測試結果（下圖）
同時攻關研制了焦耳級離軸四程放大的單次預放系統(tǒng)，實現了總增益12500倍，輸出能量達到10 J的高品質激光放大脈沖，為下一代小型化預放系統(tǒng)奠定了技術基礎[21]。
圖 離軸四程放大器的光路示意圖（左圖）和近場分布（右圖）
以提升全系統(tǒng)運行效率為目標的重頻預放系統(tǒng)是當前的研究熱點。實驗室研制的焦耳級重頻預放系統(tǒng)采用同軸四程放大器結構，實現了重復頻率1 Hz，輸出能量1.2 J；穩(wěn)定性1.2%（rms）；近場調制度1.2:1（光束口徑7mm x7mm）；遠場95%的能量集中在3倍衍射極限內。該技術指標在氙燈抽運重復頻率釹玻璃放大器技術領域屬首次報道[22]。
圖 重頻預放系統(tǒng)遠場輸出二維和一維圖
2.7 高信噪比皮秒短脈沖光源技術
高增益高信噪比皮秒OPCPA種子源的研制有利于提高整個高功率短脈沖激光系統(tǒng)的信噪比，它從噪聲產生根源出發(fā)，將參量熒光限制在皮秒時域窗口內，同時降低后續(xù)納秒域OPCPA的增益需求，是目前國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驗平臺以及皮秒OPCPA高信噪比注入種子光，各項指標不僅滿足工程上的需求，而且在能量、穩(wěn)定性、信噪比、近遠場光束質量等方面達到國際先進水平[23-24]。
2.8 納秒焦耳級OPCPA抽運源技術
為了獲得較好的OPCPA輸出穩(wěn)定性，要求OPCPA抽運源脈沖時間波形為方波、光強近場分布近平頂、時間同步精度高、輸出能量穩(wěn)定。
2010年投入運行的焦耳級納秒OPCPA抽運源，為神光II第九路高性能OPCPA預放大器輸出乃至PW系統(tǒng)的高性能輸出提供了關鍵的技術支撐。
3 總結和展望
經過近三十年的積淀，前端預放技術已達到國際先進水平，可滿足聚變級驅動器的功能和性能需求。同時，經多年的攻關，在單元技術和系統(tǒng)集成技術方面取得了多項關鍵技術突破。
展望未來，高能密度物理與應用研究物理實驗對驅動器的需求將進一步提高，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)在相關領域踏實攻關，取得更多的技術突破。
致謝：感謝前端組全體人員。
參考文獻：
[1] 曹渭樓,陳慶浩,朱智敏等.用于激光核聚變的可長時間單縱模穩(wěn)定運轉的Nd:YAG和Nd:YLF激光振蕩器的研究[J].光學學報,1986,6（9）:669-775.
[2] 謝興龍,陳紹和,林尊琪等.利用高壓微帶傳輸線驅動光電開關實現激光脈沖的任意整形[J].激光與光電學進展增刊,1999,9:71-73.
[3] 陳紹和,陳有明,陳韜略等.一種新的鎖模技術[J].科學通報,1991,36（20）:1542-1543.
[4] 陳紹和,陳韜略,陳有明等.光電導控制激光器鎖模、選頻、調Q和同步[J].中國科學（A輯）,1993,23（6）:611-616.
[5] 沈磊,陳紹和,劉百玉等.利用集成光學技術的新型時間脈沖整形系統(tǒng)[J].光學學報,2003,23（5）:598-603.
[6] Xuechun Li, Wei Fan*, Hui Wei,Haidong Zhu, Jiangfeng Wang, et al.The progress of the Front-end source of SG-II High Power Laser System. The Review of Laser Engineering, 2008, Supplemental Volume:1168-1171.
[7] 陳柏,范薇,李學春等.穩(wěn)定運行的相移DFB單縱模單偏振摻鐿光纖激光器[J].中國激光,2002,29（6）:512.
[8] Wei Fan, Xiangtong Yang, Xuechun Li, Haidong Zhu. Stable single frequency and single polarization DFB fiber lasers operated at 1053nm. Optics&Laser Technology, 2007, 39:1189-1192.
[9] 高云凱,蔣運濤,李學春.基于孔徑耦合帶狀線的激光脈沖整形系統(tǒng)[J].中國激光,2005,32（12）:1619-1622.
[10] 王江峰,朱海東,李學春,朱健強.整形激光脈沖與激光探針同步技術[J].中國激光,2005,35（1）:1619-1621.
[11] Xiaochao Wang,Wei Fan,Guoyang Li,Peng Zhang,Shengjia Zhang,Xuechun Li. Long-term stable fiber-based picoseconds optical synchronization system in SG-II. Chinese Optics Letters, 2012，10(s2):206061-206063.
[12] 張妍妍,李國揚,范薇等.基于大能量拍瓦系統(tǒng)的高精度同步觸發(fā)技術[J].激光與光電學進展,2016,53:081405.
[13] Youen Jiang, Xuechun Li, Shenlei Zhou, Wei Fan, Zunqi Lin. Microwave resonant electro-optic bulk phase modulator for two-dimensional smoothing by spectral dispersion in SG-II. Chin. Opt. Lett., 2013, 11(5): 052301.
[14] Qiaozhi，Xiaochao Wang，WeiFan*，Xuechun LI et al. Suppression of FM-to-AM modulation by polarizing fiber front end for high-power lasers. Applied Optics，2016,55(29) : 8352-8358.
[15] Huang Canhong, Lu Xinghua, Jiang Youen, Wang Xiaochao, Qiao Zhi, Fan Wei*.Real-time characterization of FM-AM modulation in a high-power laser facility using an RF-photonics system and a denoising algorithm,Applied Optics ,2017,56(6): 1610-1615.
[16] 謝杰,范薇,李學春,林尊琪.二元振幅面板用于光束空間整形[J].光學學報,2008,28（10）:1959-1966.
[17] Dajie Huang, Wei Fan, Xuechun Li, and Zunqi Lin. Performance of an optically addressed liquid crystal light valve and its application in optics damage protection. Chinese Opt. Lett. 2013, 11(07):072301.
[18] Dajie Huang, Wei Fan, Xuechun Li, Zunqi Lin. Beam shaping for 1 053-nm coherent light using optically addressed liquid crystal light valve. Chinese Opt.Lett.2012.10(s2):S21406.
[19] Dajie Huang, Wei Fan, Xuechun Li, Zunqi Lin. An optically addressed liquid crystal light valve with high transmittance. Proc. SPIE.2012. 8556: 855615.
[20] 王江峰,朱海東,李學春,朱健強.高穩(wěn)定激光二極管抽運Nd:YLF再生放大器[J].中國激光,2008,35（2）:187-190.
[21] 彭宇杰,王江峰,盧興華,范薇,李學春.高性能10J級四程預放大器技術研究[J].中國激光,2014,41（9）:0902003.
[22] Wang Chao, Wei Hui, Wang Jiang Feng, Huang Da Jie, Fan Wei, Li Xue Chun. 1 J, 1 Hz lamp-pumped high-gain Nd: phosphate glass laser amplifier[J]. Chinese Optics Letters, 2017,15(1): 011401.
[23] Tingrui Huang,Xue Pan*,Peng Zhang,Jiangfeng Wang et al. High stability high energy picosecond optical parametric chirped pulse amplifier as apreamplifier in Nd:glass petawatt system for contrast enhancement. Chin.Phys.Lett.,2017,34(6):064203.
[24] I. Musgrave*, W. Shaikh, M. Galimberti, A. Boyle et al. Picosecond optical parametric chirped pulse amplifier as a preamplifier to generate high-energy seed pulses for contrast enhancement. Appl. Opt., 2010,49(33):6558-6562.
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