神光-Ⅲ主机装置成功实现60 TW/180 kJ三倍频激光输出

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。神光-Ⅲ主机装置可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光（分为6个束组,每个束组为一个42的光束阵列）,主要由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等六大系统组成。神光-Ⅲ主机装置的研制,凝集了我国在光学、激光、脉冲功率、精密机械、快电子学、自动控制、化学清洗、超精密加工等多个学科领域的顶尖技术成就,堪称中国光学工程界的奇迹。神光-Ⅲ主机装置采用腔内四程放大+变口径90翻转U型反转器+助推三程放大的总体构型,在未使用大口径隔离组件的条件下,采用焦斑控制、精密准直、锥管镜面空间滤波及杂散光管理等技术措施,实现了基频光十万倍增益、10 kJ量级输出状态下的自激振荡抑制与反激光规避,在系统具备50%以上透过率的前提下确保了装置的运行安全,大大提高了装置的性价比。神光-Ⅲ主机装置的建设过程中攻克了高精度种子光源、高品质激光束的预放大、精密同步、辐射定标损伤检测、全光路精密波前校正、甚多束光路自动准直、自动化靶瞄准定位、计算机集中控制、高效谐波转换、一搁准精密安装、超精密光学加工、缺陷控制损伤阈值提升等多项光学工程技术难关,确保了装置具备优秀的技术指标性能。神光-Ⅲ主机装置打破了激光系统串行调试的规律,基于基准体系技术,通过不同束组间的错级并行,实现总体集成工作的满负荷运转,确保了装置建设的总体进度和集成效率。装置从第一个光机模块进场到基本完成集成调试,用时仅四年半,创造了又一个中国速度。在工程建设过程中以自主研发的传输放大动力学设计软件、激光泵浦动力学软件、杂散光树叉追迹软件等为基础,融合了部分光学设计商用软件,构建了覆盖光学、结构、电气、控制等多个学科的高功率激光装置数字化设计平台,基本实现了装置设计的全面数字化。工程建设过程中形成的质量、安全、进度控制体系保证了工程顺利进行。神光-Ⅲ主机装置的全面建成,标志着我国在大型激光驱动器方面的总体设计、总体集成、精密装校、加工制造、光学检测、关键技术等核心能力实现了体系化发展与成熟,面向更大规模的激光驱动器研制的光学工程体系已基本形成。     

高峰值功率大模场全光纤脉冲放大器

报道了一种由纤芯直径分别为15 μm和25 μm的大模场光纤组成的全光纤脉冲放大器模块。当注入脉冲宽度为10 ns,重复频率为1 Hz,光谱宽度为0.3 nm,脉冲能量为80 nJ的激光脉冲时,经过两级放大输出的激光脉冲峰值功率为30 kW,单脉冲能量为300 μJ。此外,实验研究了该放大器模块输出的时间特性。研究发现：由于受激布里渊散射（SBS）效应,限制了单纵模光纤激光在光纤中的高能量放大,采用宽带激光脉冲可以有效地抑制SBS效应,提高光纤放大器的SBS阈值。     

基于时分复用技术的甚多束光脉冲产生系统

提出了一种基于时分复用技术的全光纤、全固化的用于惯性约束聚变驱动器的甚多路光脉冲产生系统.系统中采用单纵模振荡器输出连续激光信号,利用时分复用技术结合高速电光调制技术实现序列脉冲的产生和甚多束脉冲的独立整形.采用偏振无关的声光调制技术实现甚多束脉冲的独立输出.每个序列脉冲包含8个子脉冲,子脉冲间隔设置为120ns,对子脉冲独立整形和选单后将其传输放大至微焦耳量级输出.实验成功验证了采用时分复用技术完全可以实现序列脉冲输出,各子脉冲可以独立任意整形且最后的单束输出能量为1.275μJ.     

Generation and measurement of complex laser pulse shapes in the SG-Ⅲ laser facility

The generation and measurement of complex ultraviolet laser pulse shapes is demonstrated in the SG-III laser facility. Relatively high contrast ratio of 300∶1 required by the physics experiment is achieved and successfully measured. Two continuous main shots validate the reproduction and the stability of the pulse shape, which provide solid foundation for precise physics experiment and laser power balance.     

FM-AM Conversion Induced by Polarization Mode Dispersion in Fiber Systems

The conversion of the frequency modulated pulse induced from frequency modulation （FM） to amplitude modulation （AM） by the polarization mode dispersion （PMD） is theoretically and experimentally investigated. When there is no polarizer at the output end of a fiber system, the amplitude modulation depth is stable by 8%. Random amplitude modulation is observed when a polarizer is placed at the output end of the fiber system. The observed minimum and maximum modulation depths in our experiment are 5% and 80%, respectively. Simulation results show that the amplitude modulation is stable by 4% induced mainly by group velocity dispersion （GVD） when there is no polarizer, and the amplitude modulation depth displays the random variation character induced by the GVD and PMD. Lastly, a new fiber system scheme is proposed and little amplitude modulation is observed at the top of the output pulse.     

直接相位调制产生周期性线性啁啾脉冲特性研究

提出一种利用周期性抛物线调制信号对光脉冲进行相位调制以获得周期性线性啁啾脉冲的方法, 并对其进行了数值模拟与实验研究. 数值模拟结果表明: 增益饱和效应、群速度色散以及同步误差对啁啾脉冲的时间-光谱特性影响较大; 自相位调制对啁啾脉冲的影响较小. 实验获得了0.52 nm带宽的周期性线性啁啾脉冲, 与模拟结果符合较好. 实验结果同时表明装置中存在较大的偏振模色散, 导致幅频效应较大, 后续的研究中需加入对此的考虑. 模拟及实验研究表明: 直接相位调制是一种新型的可方便地获得周期性线性啁啾脉冲的方法, 其在光谱色散平滑中具有潜在应用. 关键词： 直接相位调制 周期性线性啁啾脉冲 幅频效应     

色散对高能激光光纤前端FM-AM效应的影响

<正>弦相位调制脉冲可以满足高能激光驱动器对宽带和束匀滑的要求,在光纤系统中传输后,由于光纤中群速度色散的作用,将会产生强度调制,从而加剧光纤功率放大器中的非线性效应和光谱整形的难度.通过对2GHz,14·25GHz正弦相位调制脉冲经过不同光纤长度传输实验为例,结合光纤系统中色散对FM-AM效应影响的理论分析,发现2GHz相位调制脉冲的实验结果与模拟结果符合较好.     

基于光子晶体光纤的全光纤脉冲放大器

大型激光驱动器装置对光纤前端系统的输出脉冲能力提出了更高的要求,基于大模场光子晶体光纤的mJ级脉冲放大器技术是首先需要解决的关键技术问题。研究了大模场光子晶体的切割和熔接工艺,实现了全光纤结构集成。对1~10kHz重复频率、10ns脉宽、0.3nm线宽的方波脉冲进行了放大实验研究,对比研究了反向和正向泵浦方式对自发辐射放大的抑制效果,在1kHz获得0.6mJ,单横模脉冲输出,初步验证了基于此类系统获得大能量、高品质脉冲输出的能力。     

高功率掺镱双包层光纤放大器放大特性理论模拟

 运用掺镱双包层光纤放大器的理论模型,分析了连续和脉冲光放大时放大自发辐射(ASE)的计算方法。采用Runge-Kutta方法求解了考虑ASE稳态时掺镱双包层光纤放大器的放大特性,采用有限差分法求解了矩形、高斯和超高斯脉冲的放大特性。结果表明：用3 m长的双包层光纤、10 W的泵浦功率可以将脉宽3 ns、峰值功率为1 W的脉冲信号光峰值功率放大到15 kW左右;在饱和增益情况下,脉冲的波形变尖,宽度变窄;采用短的大模场双包层光纤和后向泵浦方式可以有效地降低ASE,并避免有害非线性效应。     

高功率掺镱双包层光纤放大器放大特性理论模拟

运用掺镱双包层光纤放大器的理论模型,分析了连续和脉冲光放大时放大自发辐射(ASE)的计算方法。采用Runge-Kutta方法求解了考虑ASE稳态时掺镱双包层光纤放大器的放大特性,采用有限差分法求解了矩形、高斯和超高斯脉冲的放大特性。结果表明：用3 m长的双包层光纤、10 W的泵浦功率可以将脉宽3 ns、峰值功率为1 W的脉冲信号光峰值功率放大到15 kW左右;在饱和增益情况下,脉冲的波形变尖,宽度变窄;采用短的大模场双包层光纤和后向泵浦方式可以有效地降低ASE,并避免有害非线性效应。