超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第四百八十八期)

2024年3月18日

上海光機所在ICF高功率激光驅(qū)動器幅頻調(diào)制(FM-to-AM)研究中取得新進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室研究團隊針對神光Ⅱ升級裝置全鏈路的幅頻調(diào)制(FM-to-AM)情況進行了分析。相關(guān)成果以“Theoretical analysis of frequency modulation-to-amplitude modulation on the final optics and target of the SG II-Up laser facility”為題發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering上。

在優(yōu)化慣性約束核聚變中激光-靶的相互作用時，要求每束激光都具有良好的時間-功率曲線控制能力以及靶面均勻性控制。而幅頻調(diào)制(FM-to-AM)是影響高功率激光裝置時間-功率曲線的一個重要因素。在高功率激光驅(qū)動器中，為了避免大口徑光學元件的受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)，實現(xiàn)更平滑的靶面光強分布，需要在前端系統(tǒng)中采用基于正弦相位調(diào)制的頻譜展寬技術(shù)。理想情況下，純相位調(diào)制不影響時間特性，然而當調(diào)頻激光以非均勻傳遞函數(shù)進行傳輸時，頻率調(diào)制將轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制。對于高功率激光驅(qū)動器，幅頻調(diào)制的產(chǎn)生來源是多種多樣的。由于時間-功率曲線控制會影響激光-靶的最佳相互作用，且調(diào)幅產(chǎn)生的強度峰值會破壞光學器件并影響激光器的性能，因此抑制FM-to-AM轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。目前，美國的NIF裝置、法國的LMJ裝置以及中國的神光系列裝置等均對FM-to-AM的抑制開展了一系列研究工作。

研究人員前期采用基于單偏振傳輸光纖的全單偏振前端系統(tǒng)和基于光柵的群速色散補償單元，解決了偏振模色散和群速色散引起的幅頻調(diào)制，同時發(fā)展了全光譜段保真放大技術(shù)，解決了放大系統(tǒng)的增益窄化問題，實現(xiàn)基頻時域調(diào)制度小于5%@0.3nm(3G+20G)。

在該工作的基礎(chǔ)上，研究人員進一步開展了納秒終端和靶面的幅頻調(diào)制量的評估研究，結(jié)果表明，由于色散光柵和聚焦系統(tǒng)的結(jié)合，楔形靶鏡(WFL)入射面上的調(diào)制度為19%，而靶面上的調(diào)制度為4.9%。值得注意的是，50%的調(diào)制度來源于高頻的20GHz。此外，在光譜色散勻滑階段使用的色散光柵會引入時間延遲，該色散光柵和聚焦透鏡的共同作用相當于一個8GHz (3dB帶寬)的高斯低通濾波器，其中20GHz的光譜成分透過率小于15%，高頻成分被大大濾除，實現(xiàn)了將靶面上的調(diào)制度降低到5%以下。

該工作為ICF高功率激光驅(qū)動器運行過程中的幅頻調(diào)制監(jiān)測、終端光學組件的負載能力評估以及激光-靶相互作用評估提供了重要依據(jù)。

相關(guān)研究得到中國科學院戰(zhàn)略重點研究項目支持。

原文鏈接

圖1：3G+20G雙頻相位調(diào)制下， (a)主放大器后；(b)WFL入射面上；(c)光束取樣光柵上以及(d)靶面上的幅頻調(diào)制以及對應(yīng)的強度譜分布情況。

圖2：(a)楔形靶鏡前(藍色)后(紅色)的時域調(diào)制情況；(b)AM譜傳遞函數(shù)