根據(jù)脈沖的長短，拍瓦級激光可分為飛秒（一千萬億分之一秒）和皮秒（一萬億分之一秒）兩種類型。前者如“天下武功，唯快不破”，追求瞬時作用的；后者則似“重劍無鋒，大巧不工”，更注重短時能量的厚重釋放。它們都是科學(xué)家推動激光核聚變研究、探索物質(zhì)狀態(tài)、研發(fā)新型粒子源的關(guān)鍵工具。

       啁啾脈沖放大技術(shù)是高功率超短脈沖激光發(fā)展中的標(biāo)志性突破，它有效緩解了提升峰值功率與避免光學(xué)元件損傷之間的矛盾。該技術(shù)由Mourou和Strickland在1985年提出，其核心原理包含三個步驟：先將脈沖展寬以降低功率密度，然后在低強(qiáng)度下進(jìn)行放大，最后將脈沖重新壓縮。這一過程顯著抑制了放大過程中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)與光學(xué)損傷。1996年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在激光聚變驅(qū)動裝置NOVA上成功應(yīng)用CPA技術(shù)，研制出世界上首套拍瓦級激光系統(tǒng)NOVA-PW，開啟了拍瓦激光時代。

       上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)早在20世紀(jì)90年代初期就開展相關(guān)研究工作，在陳紹和研究員的帶領(lǐng)下獨(dú)立自主開展固體鎖模激光脈沖放大技術(shù)研究。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)攻關(guān)，依托神光II綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)施，先后成功研制了亞皮秒激光系統(tǒng)（SPS）、神光II升級皮秒拍瓦激光裝置（SG-II-UP PW）和神光II飛秒數(shù)拍瓦激光裝置（SG-II fs Multi-PW）三臺里程碑式的超短脈沖激光裝置，光路示意如圖1所示。其中，SG-II-UP PW是我國首套皮秒拍瓦激光裝置，SG-II fs Multi-PW實(shí)現(xiàn)飛秒拍瓦激光與大能量納秒激光的組合打靶能力。

圖1 神光II系列裝置高功率超短脈沖激光系統(tǒng)示意圖。（a）SPS；（b）SG-II-UP PW；（c）SG-II fs Multi-PW

       神光II系列裝置的性能，得益于一系列關(guān)鍵核心技術(shù)的持續(xù)突破與創(chuàng)新。

2.1 高信噪比前端技術(shù)：純凈的“激光種子”

       激光的“信噪比”至關(guān)重要，即主脈沖強(qiáng)度與背景噪聲的比值。若噪聲過高，會在主脈沖到達(dá)靶點(diǎn)之前形成預(yù)等離子體，嚴(yán)重影響主脈沖的打靶效果。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了基于皮秒光參量放大（ps-OPA）和納秒光參量啁啾脈沖放大（ns-OPCPA）等高增益預(yù)放大技術(shù)。將噪聲抑制在極短的時間窗口內(nèi)，在拍瓦前端實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1010的超高信噪比，為獲得高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 寬帶脈沖放大技術(shù)：兩條技術(shù)路線并行發(fā)展

       針對不同脈寬需求，神光II平臺并行推進(jìn)了兩種主流放大技術(shù)：

       啁啾脈沖放大技術(shù)。主要用于皮秒拍瓦裝置。采用大口徑釹玻璃作為增益介質(zhì)，通過創(chuàng)新的多程放大構(gòu)型（四程內(nèi)腔放大結(jié)合兩程助推放大），成功將啁啾脈沖能量放大至數(shù)千焦耳，同時有效控制了放大自發(fā)輻射等噪聲，如圖2所示。

       光參量啁啾脈沖放大技術(shù)。主要用于飛秒拍瓦裝置。該技術(shù)利用非線性晶體，具有增益帶寬大、熱效應(yīng)低等優(yōu)勢。SG-II fs Multi-PW裝置創(chuàng)新性地采用多級非共線OPCPA放大鏈，分別以自研Nd:YAG激光器及神光II裝置的納秒激光作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了能量49.7 J、譜寬85 nm的啁啾脈沖放大，壓縮后峰值功率達(dá)1.76拍瓦。

圖2 多程放大構(gòu)型的關(guān)鍵性能。（a）多通主放大構(gòu)型示意圖；（b）輸出能量；（c）光譜分布；（d）遠(yuǎn)場分布

2.3 激光脈沖壓縮技術(shù)：挑戰(zhàn)米級光柵的極限

       壓縮器是將放大后的啁啾脈沖壓回超短脈寬、從而獲得超高峰值功率的一道關(guān)口，其核心是大口徑衍射光柵，如圖3所示。SG-II fs Multi-PW裝置，為了支持?jǐn)?shù)十飛秒的極短脈沖輸出，采用了基于大口徑超寬帶鍍金光柵的脈沖壓縮技術(shù)。SG-II-UP PW裝置面臨著實(shí)現(xiàn)千焦耳級能量壓縮的挑戰(zhàn)，采用了光學(xué)拼接的米級介質(zhì)膜光柵。團(tuán)隊(duì)深入研究了拼縫衍射及相位誤差對光束質(zhì)量的影響，并通過自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)了良好的遠(yuǎn)場聚焦性能。

圖3 超短脈沖激光大口徑脈沖壓縮光柵。(a) SG-II fs Multi-PW的鍍金光柵；(b) SG-Il-UP PW的介質(zhì)膜光柵

2.4 超快測量技術(shù)：為激光系統(tǒng)裝上“超快眼睛”

       表征和測量皮秒及飛秒級的激光脈沖是一項(xiàng)技術(shù)，聯(lián)合室在時空全域測量和時域相位恢復(fù)等領(lǐng)域取得了系列技術(shù)突破：

       時空全域測量。創(chuàng)新性地提出了激光光場時空全域特性測量技術(shù)，能夠單發(fā)次獲取超短脈沖在時間、空間和頻譜三個維度的完整信息，為診斷和校正激光脈沖的復(fù)雜時空畸變提供強(qiáng)大工具。

       時域相位恢復(fù)。發(fā)展了單次寬帶TG-FROG等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜激光脈沖的完整表征，并提出了多網(wǎng)格并行疊層重建算法，顯著提升了脈沖波形的相位恢復(fù)速度、精度和抗噪能力。

       高性能的激光平臺催生了一系列具有國際影響力的物理實(shí)驗(yàn)成果。

3.1 激光聚變快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究

       快點(diǎn)火是慣性約束聚變的一種新途徑，有望降低點(diǎn)火對激光總能量的需求。研究團(tuán)隊(duì)在SG-II-UP PW裝置上完成了國際間接驅(qū)動快點(diǎn)火集成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用納秒激光先壓縮燃料靶丸，再用皮秒拍瓦激光進(jìn)行加熱，觀測到中子產(chǎn)額增加了44倍，明確驗(yàn)證了皮秒激光對預(yù)壓縮燃料的有效加熱效果。此外，張杰院士提出的雙錐對撞點(diǎn)火新方案也在該平臺上完成了多輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為聚變能源研究探索了新的技術(shù)路徑。

3.2 超短脈沖激光質(zhì)子加速實(shí)驗(yàn)

       激光與物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生高品質(zhì)的高能質(zhì)子束，在腫瘤放療、材料研究等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。SG-II-UP PW裝置在該領(lǐng)域不斷取得突破。2017年，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子能量大于50 MeV的輸出；2021年，進(jìn)一步將質(zhì)子加速能量紀(jì)錄提升至70 MeV以上，創(chuàng)造了當(dāng)時國內(nèi)該加速機(jī)制下的紀(jì)錄。

3.3 等離子體物理超快診斷研究

       利用SG-II fs Multi-PW裝置產(chǎn)生的超寬帶啁啾脈沖作為探針光，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種臨界表面演化的新型光學(xué)診斷方法。該方法能夠精確測量激光慣性約束聚變過程中等離子體臨界表面的動態(tài)變化，為了解激光與等離子體相互作用的復(fù)雜物理過程、優(yōu)化能量耦合效率提供了新型的高時空分辨率診斷手段。

        神光II系列超短脈沖激光裝置的成功研制與運(yùn)行，標(biāo)志著我國已系統(tǒng)掌握了高功率拍瓦激光裝置的設(shè)計、研制和運(yùn)行能力，并形成了“技術(shù)突破-裝置研發(fā)-物理應(yīng)用”的完整創(chuàng)新體系。在關(guān)鍵技術(shù)方面，我國已從跟跑進(jìn)入并跑階段，部分核心指標(biāo)達(dá)到水平。

       面向未來發(fā)展，高功率超短脈沖激光技術(shù)正由單純追求峰值功率，轉(zhuǎn)向兼顧高峰值功率與高平均功率的協(xié)同提升，進(jìn)而推動激光系統(tǒng)從單次脈沖運(yùn)行模式向高重復(fù)頻率穩(wěn)定運(yùn)行模式演進(jìn)。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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