神光II系列装置高功率超短脉冲激光技术进展

背景介绍：从CPA技术到国家重大科技基础设施

      根据脉冲的长短，拍瓦级激光可分为飞秒（一千万亿分之一秒）和皮秒（一万亿分之一秒）两种类型。前者如“天下武功，唯快不破”，追求瞬时作用的；后者则似“重剑无锋，大巧不工”，更注重短时能量的厚重释放。它们都是科学家推动激光核聚变研究、探索极端物质状态、研发新型粒子源的关键工具。

      啁啾脉冲放大技术是高功率超短脉冲激光发展中的标志性突破，它有效缓解了提升峰值功率与避免光学元件损伤之间的矛盾。该技术由Mourou和Strickland在1985年提出，其核心原理包含三个步骤：先将脉冲展宽以降低功率密度，然后在低强度下进行放大，最后将脉冲重新压缩。这一过程显著抑制了放大过程中出现的非线性效应与光学损伤。1996年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在激光聚变驱动装置NOVA上成功应用CPA技术，研制出世界上首套拍瓦级激光系统NOVA-PW，开启了拍瓦激光时代。

      中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室团队早在20世纪90年代初期就开展相关研究工作，在陈绍和研究员的带领下独立自主开展固体锁模激光脉冲放大技术研究。经过数十年的持续攻关，依托神光II综合实验设施，先后成功研制了亚皮秒激光系统（SPS）、神光II升级皮秒拍瓦激光装置（SG-II-UP PW）和神光II飞秒数拍瓦激光装置（SG-II fs Multi-PW）三台里程碑式的超短脉冲激光装置，光路示意如图1所示。其中，SG-II-UP PW是我国首套皮秒拍瓦激光装置，SG-II fs Multi-PW首次实现飞秒拍瓦激光与大能量纳秒激光的组合打靶能力。

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图1 神光II系列装置高功率超短脉冲激光系统示意图。（a）SPS；（b）SG-II-UP PW；（c）SG-II fs Multi-PW

二关键技术进展：突破瓶颈，实现高性能激光输出

      神光II系列装置的卓越性能，得益于一系列关键核心技术的持续突破与创新。

2.1 高信噪比前端技术：纯净的“激光种子”

      激光的“信噪比”至关重要，即主脉冲强度与背景噪声的比值。若噪声过高，会在主脉冲到达靶点之前形成预等离子体，严重影响主脉冲的打靶效果。联合实验室发展了基于皮秒光参量放大（ps-OPA）和纳秒光参量啁啾脉冲放大（ns-OPCPA）等高增益预放大技术。将噪声抑制在极短的时间窗口内，在拍瓦前端实现了优于1010的超高信噪比，为获得高质量的物理实验结果奠定了坚实基础。

2.2 宽带脉冲放大技术：两条技术路线并行发展

      针对不同脉宽需求，神光II平台并行推进了两种主流放大技术：

      啁啾脉冲放大技术。主要用于皮秒拍瓦装置。采用大口径钕玻璃作为增益介质，通过创新的多程放大构型（四程内腔放大结合两程助推放大），成功将啁啾脉冲能量放大至数千焦耳，同时有效控制了放大自发辐射等噪声，如图2所示。

      光参量啁啾脉冲放大技术。主要用于飞秒拍瓦装置。该技术利用非线性晶体，具有增益带宽大、热效应低等优势。SG-II fs Multi-PW装置创新性地采用多级非共线OPCPA放大链，分别以自研Nd:YAG激光器及神光II装置的纳秒激光作为泵浦源，实现了能量49.7 J、谱宽85 nm的啁啾脉冲放大，压缩后峰值功率达1.76拍瓦。

图2 多程放大构型的关键性能。（a）多通主放大构型示意图；（b）输出能量；（c）光谱分布；（d）远场分布

2.3 激光脉冲压缩技术：挑战米级光栅的极限

      压缩器是将放大后的啁啾脉冲压回超短脉宽、从而获得超高峰值功率的最后一道关口，其核心是大口径衍射光栅，如图3所示。SG-II fs Multi-PW装置，为了支持数十飞秒的极短脉冲输出，采用了基于大口径超宽带镀金光栅的脉冲压缩技术。SG-II-UP PW装置面临着实现千焦耳级能量压缩的挑战，采用了光学拼接的米级介质膜光栅。团队深入研究了拼缝衍射及相位误差对光束质量的影响，并通过自适应光学技术进行校正，实现了良好的远场聚焦性能。

图3 超短脉冲激光大口径脉冲压缩光栅。(a) SG-II fs Multi-PW的镀金光栅；(b) SG-Il-UP PW的介质膜光栅

2.4 先进超快测量技术：为激光系统装上“超快眼睛”

      表征和测量皮秒及飞秒级的激光脉冲是一项尖端技术，联合室在时空全域测量和时域相位恢复等领域取得了系列技术突破：

      时空全域测量。创新性地提出了激光光场时空全域特性测量技术，能够单发次获取超短脉冲在时间、空间和频谱三个维度的完整信息，为诊断和校正激光脉冲的复杂时空畸变提供强大工具。

      时域相位恢复。发展了单次宽带TG-FROG等技术，能够实现复杂激光脉冲的完整表征，并提出了多网格并行叠层重建算法，显著提升了脉冲波形的相位恢复速度、精度和抗噪能力。

三物理实验应用：推动前沿科学探索

      高性能的激光平台催生了一系列具有国际影响力的物理实验成果。

3.1 激光聚变快点火实验研究

      快点火是惯性约束聚变的一种新途径，有望降低点火对激光总能量的需求。研究团队在SG-II-UP PW装置上完成了国际首例间接驱动快点火集成实验。实验利用纳秒激光先压缩燃料靶丸，再用皮秒拍瓦激光进行加热，观测到中子产额增加了44倍，明确验证了皮秒激光对预压缩燃料的有效加热效果。此外，张杰院士提出的双锥对撞点火新方案也在该平台上完成了多轮实验验证，为聚变能源研究探索了新的技术路径。

3.2 超短脉冲激光质子加速实验

      激光与物质相互作用可以产生高品质的高能质子束，在肿瘤放疗、材料研究等领域有广阔应用前景。SG-II-UP PW装置在该领域不断取得突破。2017年，实现了质子能量大于50 MeV的输出；2021年，进一步将质子加速能量纪录提升至70 MeV以上，创造了当时国内该加速机制下的最高纪录。

3.3 等离子体物理超快诊断研究

      利用SG-II fs Multi-PW装置产生的超宽带啁啾脉冲作为探针光，团队发展了一种临界表面演化的新型光学诊断方法。该方法能够精确测量激光惯性约束聚变过程中等离子体临界表面的动态变化，为了解激光与等离子体相互作用的复杂物理过程、优化能量耦合效率提供了新型的高时空分辨率诊断手段。

四总结与展望：迈向更高强度与更高重频的新时代

       神光II系列超短脉冲激光装置的成功研制与运行，标志着我国已系统掌握了高功率拍瓦激光装置的设计、研制和运行能力，并形成了“技术突破-装置研发-物理应用”的完整创新体系。在关键技术方面，我国已从跟跑进入并跑阶段，部分核心指标达到国际领先水平。

      面向未来发展，高功率超短脉冲激光技术正由单纯追求峰值功率，转向兼顾高峰值功率与高平均功率的协同提升，进而推动激光系统从单次脉冲运行模式向高重复频率稳定运行模式演进。

参考文献： 中国光学期刊网

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