用于神光Ⅲ原型裝置精密物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)標(biāo)激光系統(tǒng)

林宏奐 蔣東鑌 王建軍 李明中 張 銳 鄧 穎 許黨朋 黨 釗

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽(yáng) 621900)

(2009年3月16日收到;2010年3月24日收到修改稿)

用于神光Ⅲ原型裝置精密物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)標(biāo)激光系統(tǒng)

林宏奐?蔣東鑌 王建軍 李明中 張 銳 鄧 穎 許黨朋 黨 釗

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽(yáng) 621900)

(2009年3月16日收到;2010年3月24日收到修改稿)

用與大型激光裝置輸出主激光脈沖同步的梳狀脈沖作為時(shí)間標(biāo)尺，標(biāo)定強(qiáng)激光與靶丸作用的過(guò)程，對(duì)強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量及模擬實(shí)現(xiàn)精密化具有重要的意義.報(bào)道了一種電光調(diào)制結(jié)合光學(xué)方法產(chǎn)生與主激光精確同步的多頻率時(shí)標(biāo)激光脈沖的光纖系統(tǒng).采用電光調(diào)制產(chǎn)生150 ps快光脈沖，通過(guò)光纖堆積產(chǎn)生1053 nm的基頻梳狀脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和倍頻輸出527和351 nm的綠光及紫外倍頻梳狀脈沖激光.系統(tǒng)可穩(wěn)定地為神光Ⅲ原型裝置提供精密物理實(shí)驗(yàn)所必需的各種頻率的時(shí)標(biāo)激光，并且可根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)需要靈活地調(diào)整梳狀脈沖間隔和幅度，具有很好的適應(yīng)性.

激光聚變驅(qū)動(dòng)器，時(shí)標(biāo)光，光纖激光系統(tǒng)

PACS:52.57.－ z，42.60.By，42.55.Wd

1.引 言

在激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變物理實(shí)驗(yàn)中，一般采用示波器和分辨率小于20 ps的光學(xué)條紋相機(jī)(可見(jiàn)波段)和X光條紋相機(jī)(紫外波段)測(cè)量高功率激光脈沖作用于靶丸的物理過(guò)程的時(shí)間分辨圖像，如激光輻射的吸收過(guò)程、激光等離子體不穩(wěn)定性與驅(qū)動(dòng)紫外(UV)激光的相互關(guān)系、強(qiáng)激光燒蝕物質(zhì)的速率等［1，2］.另外，采用條紋相機(jī)測(cè)量高功率激光脈沖與靶丸作用過(guò)程中各階段相對(duì)于主激光脈沖的時(shí)間也是至關(guān)重要的，這對(duì)通過(guò)數(shù)值方法精密模擬該過(guò)程非常重要.

然而，目前神光Ⅲ原型激光裝置采用與主激光同步電脈沖觸發(fā)示波器和條紋相機(jī)的方式由于電同步脈沖與主激光的同步晃動(dòng)大(同步晃動(dòng)均方根(RMS)大于100 ps)，且在強(qiáng)電磁環(huán)境下易受干擾，測(cè)得的物理過(guò)程的起始時(shí)刻與主激光時(shí)間關(guān)系相對(duì)模糊，同時(shí)也模糊了高功率激光脈沖與靶丸作用過(guò)程中各階段相對(duì)于主激光脈沖的時(shí)間關(guān)系，影響了物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的精密性，嚴(yán)重制約了神光Ⅲ原型裝置提供物理實(shí)驗(yàn)的能力.

如果采用與主激光精確同步的激光脈沖作為時(shí)間參考提前主激光到測(cè)試設(shè)備，就可以很好地解決上述的問(wèn)題［1—4］.如美國(guó)勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的 OMGA裝置和法國(guó)的 LMJ激光裝置.OMGA裝置的時(shí)標(biāo)激光由與激光驅(qū)動(dòng)器同步的另一固體激光器產(chǎn)生，但這種方式占用大量空間，且時(shí)標(biāo)脈沖間的時(shí)間間隔不可調(diào)整，具有應(yīng)用的局限性［5，6］.LMJ激光裝置采用與主激光同步的中心波長(zhǎng)405 nm的LD輸出脈寬65 ps的單脈沖作為時(shí)標(biāo).這種方式時(shí)標(biāo)激光波長(zhǎng)單一，輸出只有單脈沖，不適用可見(jiàn)至紅外波段ns打靶脈沖物理過(guò)程的診斷需求［7］.

根據(jù)神光Ⅲ原型裝置精密物理實(shí)驗(yàn)的需要，結(jié)合光纖激光系統(tǒng)可編程控制、分束可靠、傳輸靈活穩(wěn)定、穩(wěn)定可靠、體積小、對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求的優(yōu)點(diǎn)，我們提出了一種電光調(diào)制結(jié)合光學(xué)方法產(chǎn)生時(shí)標(biāo)光脈沖的光纖系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)制產(chǎn)生與主激光脈沖精密同步的150 ps脈沖，輸入光纖堆積器［8］產(chǎn)生5路梳狀時(shí)標(biāo)脈沖，經(jīng)過(guò)放大倍頻后為神光Ⅲ原型裝置提供1053，527和351 nm的時(shí)標(biāo).該系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，已成功應(yīng)用于神光Ⅲ原型裝置的物理實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)精密化及神光Ⅲ原型裝置性能的巨大提升.目前，國(guó)內(nèi)其他大型激光裝置還沒(méi)有這樣的時(shí)標(biāo)激光脈沖產(chǎn)生系統(tǒng).相比于OMGA裝置和LMJ裝置的時(shí)標(biāo)系統(tǒng)，系統(tǒng)又具有穩(wěn)定和輸出靈活的優(yōu)點(diǎn).

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1.光時(shí)標(biāo)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)精密化的原理

采用時(shí)標(biāo)激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)精密化的原理如圖1所示.神光Ⅲ原型裝置光纖前端［9］產(chǎn)生的整形激光脈沖被后續(xù)系統(tǒng)放大后通過(guò)倍頻轉(zhuǎn)換后聚焦到靶點(diǎn)與靶丸作用產(chǎn)生各種包含物理信息的信號(hào).光學(xué)條紋相機(jī)、X光條紋相機(jī)和探測(cè)器分別測(cè)量不同波段的物理信號(hào).如果沒(méi)有時(shí)間基準(zhǔn)，就不能確定測(cè)得各種物理量的相互時(shí)間關(guān)系.以前采用基準(zhǔn)電信號(hào)觸發(fā)各種測(cè)量設(shè)備，其本身的晃動(dòng)足以模糊這種相互關(guān)系，同時(shí)電信號(hào)在強(qiáng)電磁環(huán)境下極易受到干擾，這樣嚴(yán)重影響了物理實(shí)驗(yàn)的精確性.采用光纖前端系統(tǒng)產(chǎn)生梳狀激光短脈沖，通過(guò)光纖分束，一路被光電轉(zhuǎn)換提供給示波器，另一路通過(guò)放大、倍頻產(chǎn)生351和527 nm的梳狀短脈沖耦合進(jìn)入傳輸光纖直接輸入光學(xué)和 X光條紋相機(jī).這樣，激光裝置打靶時(shí)，各種設(shè)備在測(cè)得物理信號(hào)的同時(shí)也測(cè)得光時(shí)標(biāo)信號(hào).由于光時(shí)標(biāo)與主激光精密同步，不存在觸發(fā)晃動(dòng)，覆蓋了所有測(cè)量波段，且不受干擾，根據(jù)光時(shí)標(biāo)信號(hào)傳輸?shù)难舆t關(guān)系就可很方便地確定各種物理量的精確時(shí)序關(guān)系.另外，條紋相機(jī)時(shí)間掃描存在非線性響應(yīng)問(wèn)題，根據(jù)梳狀脈沖絕對(duì)時(shí)間間隔可以判斷條紋相機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)精確測(cè)算物理過(guò)程的速率，較只用條紋相機(jī)定標(biāo)更加精密［5］.

圖1 光時(shí)標(biāo)的原理

2.2.時(shí)標(biāo)激光的產(chǎn)生

圖2 時(shí)標(biāo)激光脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)原理

時(shí)標(biāo)激光脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.摻鐿單縱模光纖振蕩器輸出20 mW的1053 nm連續(xù)激光，經(jīng)偏振控制器輸入幅度調(diào)制器.同步系統(tǒng)輸出一路同步脈沖信號(hào)觸發(fā)快脈沖發(fā)生器產(chǎn)生150 ps的快電脈沖信號(hào)加在幅度調(diào)制器上調(diào)制連續(xù)激光產(chǎn)生150 ps的激光脈沖.150 ps的脈沖經(jīng)過(guò)一級(jí)光纖放大器放大后通過(guò)20∶80光纖分束器分成兩路脈沖:其中一路脈沖又經(jīng)過(guò)50 m光纖傳輸至靶場(chǎng)附近通過(guò)1×24光纖分束器分束傳輸至光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)為測(cè)量示波器提供基頻光時(shí)標(biāo);另一路脈沖作為基元脈沖輸入5脈沖堆積器［8］，產(chǎn)生時(shí)間間隔為500 ps的梳狀脈沖.梳狀脈沖經(jīng)過(guò)放大，同樣經(jīng)過(guò)50 m光纖傳輸至靶場(chǎng)附近，再輸入大模場(chǎng)光纖放大器放大至10 kW(脈沖總能量為7.5 μJ，單脈沖能量為1.5 μJ).光纖系統(tǒng)中，偏振控制器采用取樣方式自動(dòng)檢測(cè)輸入連續(xù)激光的偏振態(tài)，并調(diào)整其偏振狀態(tài)使輸入激光的偏振方向與幅度調(diào)制器的偏振方向一致，提高了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性［9，10］.

大模場(chǎng)放大器輸出接準(zhǔn)直器，將大模場(chǎng)光纖輸出的信號(hào)準(zhǔn)直成直徑由1.5 mm的光束輸入釹玻璃放大器組和BBO晶體構(gòu)成的倍頻光產(chǎn)生系統(tǒng).由于大模場(chǎng)放大器已經(jīng)將脈沖放大至10 μJ量級(jí)，已經(jīng)不需要采用Nd∶YLF高增益放大器提供106級(jí)增益的放大［11］，而采用釹玻璃棒放大器組即可將脈沖放大至20 mJ.20 mJ的1053 nm脈沖經(jīng)過(guò)BBO晶體構(gòu)成的倍頻器倍頻產(chǎn)生10和3.2 mJ的527及351 nm激光脈沖，通過(guò)透鏡聚焦耦合進(jìn)入芯徑為500 μm的石英光纖分束器傳輸5 m分別為4臺(tái)光學(xué)條紋相機(jī)和4臺(tái)X光條紋相機(jī)提供可見(jiàn)光和UV時(shí)標(biāo).

2.3.梳狀脈沖的產(chǎn)生

全光纖梳狀脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)中脈沖堆積器是產(chǎn)生梳狀脈沖的關(guān)鍵.如圖3所示，150 ps的脈沖經(jīng)過(guò)分束器并通過(guò)精確延時(shí)進(jìn)入2個(gè)3路堆積模塊.在3路堆積模塊中，各路脈沖經(jīng)過(guò)可變延時(shí)器延時(shí)(延時(shí)250 ps)和可變光衰減反射鏡后被反射再次通過(guò)可變延時(shí)器和分束器合成3路梳狀脈沖.反射的3路脈沖延時(shí)1.5 ns后經(jīng)過(guò)分束器合成間隔500 ps的6路梳狀脈沖.梳狀脈沖由單個(gè)150 ps脈沖合成，其上升沿小于100 ps.單路脈沖幅度的可調(diào)諧精度由可編程光衰減反射鏡決定，為40 dB，而梳狀路脈沖間的間隔可由可編程光纖延遲線調(diào)整(精度達(dá)1 ps).因此，這種方法可提供幅度和間隔可變的梳狀脈沖，可以根據(jù)放大過(guò)程中增益飽和程度的不同修正梳狀脈沖的畸變，同時(shí)也可根據(jù)物理診斷的需要調(diào)節(jié)脈沖間的間隔.由于目前只需要5路梳狀脈沖，因此將最后一路脈沖衰減至零.

3.系統(tǒng)輸出及物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用 LeCroyWavepro760Zi示波器(帶寬為 6 GHz，采樣率為40 GS/s)和 SD43光電轉(zhuǎn)換器(帶寬為8 GHz)測(cè)得的光纖系統(tǒng)輸出的梳狀脈沖如圖4所示.單脈沖寬度為150 ps，脈沖間隔為500 ps.由于光纖堆積器各路損耗不能控制一致，在衰減器為衰減零時(shí)，輸出的各路脈沖的幅度不一致.通過(guò)調(diào)節(jié)光纖堆積器中衰減器的衰減倍數(shù)，使各路脈沖幅度遞增以預(yù)補(bǔ)償后續(xù)放大過(guò)程中增益飽和帶來(lái)的畸變，使其倍頻后各路脈沖的幅度保持一致.圖中內(nèi)插圖為基元脈沖，也是1053 nm基頻光時(shí)標(biāo).

圖4 光纖系統(tǒng)輸出的梳狀脈沖 插圖為150 ps基元脈沖

圖5(a)—(c)為神光Ⅲ原型裝置靶場(chǎng)X光條紋相機(jī)同一掃屏下測(cè)得的UV光時(shí)標(biāo)信號(hào)及神光Ⅲ原型裝置主激光(脈寬為300 ps)與金球靶作用后發(fā)射的UV光脈沖，圖中縱坐標(biāo)為光場(chǎng)分布，橫坐標(biāo)為時(shí)間分布.從圖5(b)可以看出，經(jīng)過(guò)500 μm石英光纖多模傳輸后，時(shí)標(biāo)脈沖發(fā)生展寬，但間隔不變，仍為500 ps，而UV時(shí)標(biāo)光近場(chǎng)分布接近于高斯分布，如圖5(b).在主脈沖寬度更寬時(shí)(如神光Ⅲ原型裝置的工作脈寬1和3 ns)，通過(guò)對(duì)比X光條紋相機(jī)同一掃屏下UV時(shí)標(biāo)光脈沖波形與主脈沖波形，可以標(biāo)定主脈沖與靶瓦作用時(shí)輻射的速率等.采用帶寬為12 GHz，采樣率為40 GS/s的示波器測(cè)量了時(shí)標(biāo)脈沖與主激光脈沖的同步晃動(dòng):測(cè)得兩者間的峰-峰晃動(dòng)為 40 ps(即 ±20 ps)，而 RMS值小于 6 ps，完全滿(mǎn)足精密物理實(shí)驗(yàn)小于10 ps(RMS)晃動(dòng)的要求.圖5(d)為可見(jiàn)光條紋相機(jī)同一掃屏下測(cè)得的527 nm的時(shí)標(biāo)信號(hào)及神光Ⅲ原型裝置主激光與金球靶作用后發(fā)射的光脈沖，圖中縱坐標(biāo)為時(shí)間分布，橫坐標(biāo)為光譜.

4.結(jié) 論

研制了一種電光調(diào)制結(jié)合光學(xué)方法產(chǎn)生時(shí)標(biāo)光脈沖的系統(tǒng)，可產(chǎn)生與主激光高精度同步的基頻、二倍頻及三倍頻時(shí)標(biāo)脈沖，通過(guò)光纖分束傳輸與多臺(tái)示波器、X光條紋相機(jī)及可見(jiàn)光條紋相機(jī)連接，建立了激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量所得各波段信號(hào)與主激光信號(hào)的絕對(duì)時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)的精密化.目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于神光Ⅲ原型裝置，完成與主激光百余發(fā)次聯(lián)機(jī)發(fā)射實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了神光Ⅲ原型激光裝置物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Υ蟮奶嵘?

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Laser time fiducial for precise physical experiment in Shenguang-Ⅲprototype facility

Lin Hong-Huan?Jiang Dong-Bin Wang Jian-Jun Li Ming-Zhong Zhang Rui
Deng Ying Xu Dang-Peng Dang Zhao
(Research Center of Laser Fusion，China Academy of Engineering Physis，Mianyang 621900，China)
(Received 16 March 2009;revised manuscript received 24 March 2010)

Using comb laser pulses synchronized with the main pulse output by large laser facility as time fiducial to scale the reaction process between high power laser pulse and target is very important for the realization of precise measurement and simulation in the intense field experiment.We demonstrate a fiber multiharmonic time fiducial laser pulse generation system using optic-electric modulation and optical pulse stacking.A unit optical pulse with a width of 150 ps generated by modulation was stacked in a fiber stacker to form a 1053 nm comb pulse.The pulse was then amplified and frequencyconverted to generate green(527 nm)and UV(351 nm)fiducials.The system can stably provide Shenguang-Ⅲprototype facility with multi-frequency laser time fiducials which is essential for the precise physical experiment.In addition，the system is highly adaptive since it can generate fiducial signals with variable pulse intervals and amplitudes flexibly according to the requirements of different physical experiments.

laser fusion driver，time fiducial，fiber laser system