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张 锐，周丹丹，田小程，周 维，党 钊，姚 轲，赵军普，柴向旭，黄小霞，
黄智蒙，李 平，冯 斌，彭志涛，胡东霞，朱启华，郑万国
（中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）
（通信作者：张 锐，zhangrui8s-1@caep.cn；胡东霞，dongxia.hu@163.com）
2021年8月美国NIF实现了1.3 MJ聚变放能的里程碑，其中，交叉光束能量转移（Crossed-Beam Energy Transfer，CBET）是实现该放能的关键要素之一。利用CBET可补偿黑腔腰部驱动、缓解外环背散压力，从而改善黑腔内的驱动对称性，因此掌握和应用CBET技术具有重要意义。国际上目前仅美国开展了CBET所需的四色激光打靶技术研究，国内尚未开展实验研究。在高功率固体激光装置上实现四色光打靶需要解决四色激光产生、传输、放大、幅频效应抑制和高效三倍频等问题。近期中国工程物理研究院激光聚变研究中心通过重构前端系统架构、抑制多色激光工作下的幅频效应、改进主放宽光谱下的增益模型、对三倍频晶体匹配角进行波长跟随等实现了激光装置四色光输出。形成的四色光打靶能力已成功应用于交叉光束能量转移实验研究。
根据CBET对四色光波长分布和精密调控需求，重构了前端系统配置架构，提出了基于四色振荡器、四个时分复用通道的四色前端和光纤配色方案，解决了激光装置四色光四环分布且各环波长独立可调的难题，实现了四色激光各路脉冲同步抖动优于1.1 ps的高精度同步输出，四色前端系统光路示意图如图1所示。
图1 四色前端系统光路示意图
在预放大系统内通过对易产生标准具效应的元件楔化设计和基于石英晶体的双折射效应补偿技术，消除和补偿了标准具效应和增益窄化引起的光谱畸变，获得了1053 nm±1 nm平坦光谱区域，如图2所示，从而满足了四色小宽带调频脉冲传输放大时幅频效应抑制的需求。
图2 再生放大器补偿前后的光谱透过率曲线
主放大系统为多程放大构型，按腔内放大器9片钕玻璃、助推放大器7片钕玻璃配置计算，总增益长度约为272 cm，因此小信号增益系数随光谱的变化不容忽略。图3为根据受激发射截面计算的钕玻璃增益谱，在峰值增益波长两侧呈非对称下降趋势。图4为计算得到的不同波长下3 ns脉宽激光注入时的输出曲线。以200 mJ注入能量为例，1054 nm相比1053 nm输出能量减少5%；1052 nm相比1053 nm输出能量减少24%。该仿真计算结果为主放大系统在四色光工作下输出能量的精密控制提供了依据。
图3 主放大系统钕玻璃增益谱
图4理论模拟得到的主放大系统注入输出曲线
激光装置三倍频过程采用了“I+II”两块KDP晶体级联方式获得三倍频光输出。高效频率转换必须满足严格的相位匹配条件。研究发现晶体匹配角是波长的函数，标定结果表明，基频波长每增加1 nm，二倍频晶体匹配角增加35 μrad，三倍频晶体匹配角减小1110 μrad，如图5所示。其中三倍频晶体角度对波长变化敏感，是影响高效三倍频的主要因素，如图6所示。通过研究，在四色光打靶中基于晶体角度动态补偿技术，实现了四色光工作下晶体角度的最佳匹配和高效三倍频输出。
图5 倍频晶体匹配角与激光波长关系曲线
图6三倍频效率与三倍频晶体失谐角关系曲线
在上述研究基础上，完成了高功率激光装置四色光输出能力构建。经测试，四色光输出指标满足物理实验需求：激光波长分四环分布，每环独立可调，环内同色；内环两色，中心波长覆盖1053.0~1053.5 nm；外环两色，中心波长覆盖1052.5~1053.0 nm；全部光束具备调为1053 nm同色的能力。形成的四色光打靶能力为开展多种类型CBET研究创造了条件，已成功应用于物理实验。测试数据表明通过CBET将外环光向内环光能量转移效果明显，从而有效规避了内环驱动不足的风险，拓展了高功率激光装置的物理实验能力。
致谢：感谢国家自然科学基金(62075201)对本项目的支持。
