大型高功率激光装置可以在实验室环境创造前所未有的强电场、强磁场和高压强等极端物态条件，在惯性约束聚变（ICF）、高能量密度物理、天体物理等诸多前沿科学技术领域发挥着不可替代的作用^[1-4]。ICF要求高功率激光装置具备输出时域形态精密可控的高稳定激光脉冲以满足功率平衡的要求^[5-8]。依托不同的高功率激光装置，研究人员对激光脉冲波形的精密调控技术开展了广泛的研究。依托神光II激光装置，范薇等人通过在预放大系统再生放大器和前端系统任意波形发生器（AWG）间建立脉冲波形闭环系统，通过动态迭代算法将Hann脉冲的底部平台区波形闭环精度控制在10%左右，峰值区控制在3%左右^[9]。李平等人通过建立历史发次数据模型和采用矩阵算法关联电光响应关系等措施将某原型装置功率平衡指标提升到10%，满足了不同物理实验的需求^[10-11]。依托美国Omega EP 激光装置，Guarfalben等人研究指出再生放大器时域响应的微小变化将导致实际打靶波形严重偏离目标波形，为此需要调整注入的AWG电脉冲波形^[12]。Shaw. M等人基于国家点火装置（NIF）同样在AWG与再生放大器间建立了脉冲波形闭环系统^{[7, 13]}。为弥补再生放大器处于欠饱和放大状态，NIF装置在目标脉冲波形后添加了一个2.5 ns的方波后缀脉冲，进而实现了高精度脉冲波形调控^[14]。然而，由于电光开关隔离比的限制，后缀脉冲不易完全去除，可能会影响物理实验效果。

为研究与解决ICF驱动器单束关键科学技术问题，大口径高通量实验平台（ITB）于2016年设计建造完成^[15-16]。ITB平台主体光路由前端系统、预放大系统、主放大系统和谐波转换系统组成，目前可实现数万焦耳的高能量输出。为满足未来重频工作模式，ITB平台预放大系统采用LD泵浦的甚多程放大构型^[17-18]。甚多程放大构型使得预放大系统的脉冲波形和能量均呈现非线性响应关系，且脉冲波形与能量之间相互影响。采用传统的脉冲波形闭环设计无法应对这种非线性响应，脉冲波形的闭环精度将变差，严重时甚至导致脉冲波形闭环失败。

为满足激光脉冲波形精密调控的需求，本文巧妙利用ITB平台前端系统和预放大系统的构型和性能参数，提出了调控激光脉冲波形和能量稳定性的双回路同步闭环设计方法，进而实现了高稳定脉冲波形的精密调控，并成功应用在物理实验正式发射中，有力支撑了ICF驱动器激光参数精密调控设计。

1.   预放大系统的非线性时域响应特性

ITB平台预放大系统的主体光路由再生放大组件和离轴八程放大组件组成。前端系统注入的约100 nJ激光脉冲在再生腔中往返放大112程后输出能量可达25 mJ，经离轴八程高增益放大后，预放大系统可输出1 J/1 Hz空域时域高精度调控的激光脉冲。激光脉冲在再生放大组件和离轴八程放大组件中分别历经112程、8程，有效累积增益光程高达12800 mm。这种甚多程放大构型虽然可以提供高达10⁷的增益，但是表现出强烈的非线性时域响应效应。

图1为预放大系统的非线性时域响应特性。如图1（a）所示，不同脉宽的激光脉冲表现出不同的方波畸变度。这里的方波畸变度是指当注入激光脉冲为方波时，输出激光脉冲的前沿幅值与后沿幅值之比。方波畸变度是衡量激光放大系统非线性时域响应的重要参数。从图1（a）可以看出，随着激光脉宽的增加，方波畸变加剧，但是当脉宽超过5 ns后，方波畸变又呈现出下降趋势。当脉宽在5～18 ns之间时，方波畸变变化较小，随着脉宽的进一步增加，方波畸变又呈现上升趋势。同样可以看出，不同注入能量下方波畸变的变化趋势基本相同，但是高能量注入下的方波畸变更严重，符合激光放大动力学规律。图1（b）为相同激光参数配置下，激光脉宽变化对预放大系统输出能量的影响。由图1（b）可知，激光能量随着脉宽的增加而增加，至脉宽约2 ns时，激光能量到达峰值，随后激光能量随着脉宽的增加而下降。在短脉宽区间（0.1～2 ns） ，激光能量随着脉宽增加而增加是由于提取的激光储能逐渐增多，随着储能的逐渐消耗，损耗大于增益，在长脉宽区间（3～25 ns）激光能量开始下降。上述激光脉冲对方波畸变和能量的非线性响应源于预放大系统的甚多程放大构型，非线性响应特性与多种因素有关，很难简单地从脉宽、注入能量等因素中将响应关系解耦出来，这种复杂的响应特性对激光脉冲的精密波形闭环带来了挑战。

图  1  预放大系统的非线性时域响应特性

Figure  1.  Nonlinear temporal response function of preamplifier system

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此外，再生放大器的不同工作状态也将对预放大系统输出产生非线性影响（如图2所示）。图2（a）为再生放大器腔镜一侧采集的激光脉冲波形包络，图中横坐标读数表示不同程数激光脉冲出现的时间，分立的脉冲串表示不同程数的脉冲包络。简单起见，将脉冲幅值最高的工作状态（饱和状态）定义为0态，0态右侧不同程数的工作状态分别定义为−1、−2、−3…态，0态左侧不同程数的工作状态分别定义为1，2，3…态。由图2（a）可知，当再生放大器工作在1～5态时，输出激光能量较大且能量变化梯度较小。由图2（b）可知，当再生放大器工作在3～5态时，激光脉冲的方波畸变变化较平稳，且方波畸变度数值较小，脉冲整形裕量较大。综合激光脉冲的增益能力、能量稳定性和脉冲波形的方波畸变度，优选再生放大器工作在过饱和状态（3～5态）。

图  2  再生放大器的不同工作状态对预放大系统输出的影响

Figure  2.  Dependence of regenerative amplifier state on output of preamplifier system

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再生放大器的工作状态受多种因素的影响，包括钕玻璃棒的小信号增益系数、放大程数、再生腔的损耗和注入能量。注入能量较低时，再生放大器工作在欠饱和状态，注入能量较高时，再生放大器工作在过饱和状态。因此，通过调节前级放大器的注入能量可以直观有效地改变再生放大器的工作状态，进而控制预放大系统的输出特性。

2.   双回路同步闭环设计

预放大系统的甚多程放大构型不仅使得注入与输出激光脉冲的时域和能量响应均呈现非线性关系，而且脉冲波形和能量之间相互影响。为满足高功率激光装置功率平衡需求，需要建立激光脉冲波形的高稳定精密调控能力。

基于前端系统和预放大系统的性能参数和构型优势，本文提出了一种双回路同步闭环设计方法，即在前端任意波形发生器与预放大系统输出端建立脉冲波形调控闭环回路 、在前端末级大模场线性放大器与再生腔腔镜漏光监测端建立能量稳定性闭环回路，进而实现脉冲波形和能量稳定性的同步精密调控。

2.1   脉冲波形精密调控闭环设计

首先根据高功率激光装置的系统能流分布，开展激光脉冲波形的闭环设计。对于三倍频目标打靶波形，首先由谐波转换曲线反演出基频波形，然后根据主放大系统的增益特性进一步反演出预放大系统输出端的脉冲波形。由于ITB平台预放大系统具备1 Hz重频工作模式，将闭环反馈点设置在预放大系统输出端有利于提升闭环效率。将闭环反馈点设置在预放大系统输出端相比于其他高功率激光装置将闭环反馈点设置在重频放大段、前端系统输出端^{[10, 14]}，消除了光学链路盲区，闭环更加准确。

图3为脉冲波形精密调控闭环设计的原理示意图。脉冲波形闭环设计利用ITB平台现有参数测量组件，无需添加额外设备。如图3（b）所示，基于差值迭代反馈原理设计了闭环流程。首先以反演推算到预放大系统输出端的脉冲波形为目标波形，根据测量得到的非线性电-光幅值响应关系曲线，计算出初始电脉冲波形。任意波形发生器将初始电脉冲波形加载到幅度调制器上，幅度调制器将连续波激光斩波为初始整形激光脉冲，初始整形激光脉冲经光学放大链路传输到预放大系统输出端。此时，由于激光系统的增益饱和和光谱透过率不均匀特性等，初始整形激光脉冲发生一定的畸变。利用高带宽光电管采集预放大系统输出的激光脉冲，而后将脉冲波形显示在高带宽示波器上。对比分析采集的实际波形与目标波形，基于差值迭代反馈算法反演出修正电脉冲波形。循环往复，不断迭代，直至实际波形满足评价标准，此时预放大系统输出高精度整形的激光脉冲。

图  3  脉冲波形精密调控闭环设计的原理示意图

Figure  3.  Schematic of laser pulse precise shaping closed-loop feedback system

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然而，在脉冲波形闭环迭代的初始阶段，激光脉冲的时域形态变化剧烈，导致激光脉冲的等效脉宽不断发生变化。由于预放大系统对脉冲波形和能量的非线性响应特性，注入激光等效脉宽的变化将导致再生放大器的工作状态发生改变，严重影响系统的能量稳定性和时域响应特性。即使在采集端采用多次平均降噪法，脉冲波形闭环精度也将变差，严重时甚至导致波形闭环失败。此外，物理实验要求激光装置具备输出从0.1～25 ns脉宽范围内任意整形激光脉冲的能力。

因此，为满足宽等效脉宽范围内高精度时域整形的需求，采用甚多程放大构型的高功率激光装置的脉冲波形闭环系统对激光能量稳定性也提出了严格要求。

2.2   能量稳定性闭环设计

为应对脉冲波形精密闭环过程中激光能量稳定性面临的挑战，本文巧妙利用ITB平台前端系统和预放大系统的构型优势和性能参数，建立激光脉冲能量稳定性闭环系统。

ITB平台前端系统采用全光纤放大体系，末级光纤放大器采用长度为3 m，纤芯直径为10 μm的保偏大模场光纤，其有效模场面积达12 μm²，饱和能量为92.2 μJ^[19-20]。前端系统在方波畸变度小于1.05的情况下输出能量大于1 μJ/5 ns，较预放大系统的注入工作点100 nJ有十倍的裕量。因此，可以调节保偏大模场放大器（PLMA）的增益倍数直观有效地控制再生放大器的工作状态，进而主动调控预放大系统的输出特性。

图4为激光脉冲能量稳定性闭环控制的原理示意图。偏振态为P态的激光脉冲经前端系统保偏大模场放大器放大后，经偏振片P1、45°转子、法拉第隔离器后入射到偏振片P2上。其中，45°转子和法拉第隔离器用于隔离再生放大器返回的反激光。偏振片P2将激光脉冲导入再生腔中，当激光脉冲首次往返通过λ/4波片和电光开关后偏振态旋转90°变为S态。此后电光开关加载λ/4电压以维持腔内振荡所需的S偏振态，待放大到112程后，电光开关退电，激光脉冲最后一次通过λ/4波片后偏振态转为P态。偏振态为P态的激光脉冲经偏振片P2、法拉第隔离器、45°转子后由偏振片P1反射输出。光电管采集腔镜M1处漏出的甚多程激光脉冲包络（如图2（a）所示）。通过判读再生腔脉冲包络处于欠饱和状态还是过饱和状态，进而增加或者降低保偏大模场放大器的泵浦电流，使再生腔工作在过饱和状态（3～5态），保持激光脉冲的能量稳定性和方波畸变度。

图  4  激光脉冲能量稳定性闭环控制原理示意图

Figure  4.  Schematic of laser pulse energy closed-loop control system

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将能量稳定性闭环终点设置在再生放大器处，其原因主要有两点。一是脉冲波形闭环过程中等效脉宽的变化主要通过影响再生放大器的工作状态进而降低预放大系统的输出能量稳定性，通过主动调控再生放大器的工作状态，可以较好地稳定预放大系统的输出能量和时域响应关系。二是再生放大器的脉冲包络易监测，通过包络形态变化可以直观地反映出再生放大器的工作状态。

因此，结合保偏大模场放大器的线性放大特性和再生放大器的响应特性，通过腔镜漏光监测实时反馈的方式，调节保偏大模场放大器的增益倍数可以实现激光脉冲的能量稳定性闭环设计。

3.   实验结果

基于“前端系统任意波形发生器+预放大系统脉冲波形测量”、“前端系统大模场放大器+再生腔腔镜漏光监测”的双回路同步闭环设计，在ITB平台上实现了高稳定激光脉冲波形的精密调控，并成功应用在物理实验正式发射中，助力物理实验团队取得了预期实验结果。

脉冲波形闭环采用差值反馈原理，并引入慢变松弛因子，由测量的实际波形与目标波形的残差大小动态调整松弛因子，保证收敛的有效性。图5为采用双回路同步闭环设计后激光脉冲波形的闭环过程。为满足高精度波形闭环要求，这里采用带宽约8 GHz，数据采样率大于20 GSa/s的高带宽示波器。从图5（a）中可以看出，第1次迭代的脉冲波形与目标波形的差异较大，经过3次迭代后，实际波形与目标波形间的差异迅速缩小，经过10次迭代后实际波形与目标波形已经十分接近。基于脉冲波形和能量稳定性控制的双回路同步闭环过程收敛速度较快，一般来说，整个过程的闭环迭代时间小于5 min，满足高功率激光装置实验参数快速精密调控的要求。图5（b）为激光脉冲波形闭环对应的任意波形发生器输出电脉冲的迭代过程，从图中可以看出初始电脉冲波形和最终电脉冲波形的差异较小，表明电-光幅值响应关系较敏感，优化设计幅度调制器的电光响应关系可进一步提升波形闭环精度。

图  5  激光脉冲波形的闭环过程

Figure  5.  Closed-loop iterative process of laser shaping pulse

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综合物理实验需求和高功率激光装置的经济性等，参考高功率激光装置功率平衡分解到预放大系统的功率平衡RMS指标（1.5%），目前脉冲波形精密调控闭环回路的迭代判据一般设定为1.5%（RMS）。此外，这里定义脉冲波形闭环精度为多次反馈迭代后，闭环反馈点处实际波形相对于目标波形的各点功率偏差。图6所示为采用双回路同步闭环设计后激光脉冲波形的精密调控结果，其中目标波形为背光源物理实验反演到预放大系统输出处的推算波形。需要说明的是，为避免脉冲波形顶部幅频效应等周期性波动对PV值和RMS值计算结果的影响，这里对原始波形数据进行了卷积平滑滤波。由于ITB平台前端系统采用约2.5 GHz的相位调制，对应的调制周期为400 ps，引入400 ps的平滑积分窗口后幅频调制对脉冲波形PV值和RMS值计算的影响基本可忽略。如图6（a）所示，对于8 ns指数波，脉冲波形闭环精度的均方差RMS为1.29%，峰谷值PV为5.75%，远小于高功率激光装置脉冲波形精密调控闭环回路的设定判据，此时脉冲波形闭环效果较好。如图6（b）所示，即使针对20 ns低功率长脉冲波形，脉冲波形闭环精度的均方差RMS也可达到1.57%，接近迭代判据指标。由于单路激光脉冲波形闭环精度指标相对于多路激光功率平衡指标更为严苛，因此低功率长脉冲激光脉冲波形的闭环精度实际上也满足功率平衡要求。

图  6  激光脉冲波形的闭环调控结果

Figure  6.  Closed-loop result of laser shaping pulses

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为进一步研究采用双回路同步闭环设计后预放大系统的输出能量稳定性，本文同步测量了再生放大器和预放大系统输出处的能量稳定性。如图7所示，再生放大器输出的激光脉冲经离轴八程放大器饱和放大后，可将激光脉冲稳定性由PV值10.88%进一步提升到4.55%，满足能量平衡需求。 综合激光脉冲波形闭环精度和能量稳定性数据，采用双回路同步闭环设计可以实现高稳定激光脉冲波形的精密调控。

图  7  整形激光脉冲的能量稳定性

Figure  7.  Energy stability result of laser shaping pulse

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最后，本文将双回路同步闭环设计应用到背光源物理实验正式发射中。在高功率激光装置中，脉冲波形功率准确度一般表示末级系统输出处，实际波形相对于目标波形的各点功率偏差的均方根值^{[6, 14]}。图8为物理实验正式发射中采集的实际波形与目标波形的对比图。从图中可以看出，正式发射实际波形与目标波形吻合度较好。对于常规的物理实验需求，脉冲波形功率准确度可达2%左右。对于低功率长脉冲目标波形，实际波形偏差RMS约为6%左右，也远低于背光源物理实验功率平衡10%的指标要求。

图  8  物理实验正式发射测量的实际脉冲波形

Figure  8.  Laser shaping pulses applied to physical experiments

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4.   结　论

本文巧妙利用前端系统和预放大系统的构型和性能参数，基于脉冲波形和能量稳定性的双回路同步闭环设计成功实现了高稳定激光脉冲波形的精密调控，常规整形脉冲波形的功率准确度优于2%，指标参数远优于高功率激光装置功率平衡要求。技术成果应用到物理实验正式发射中，实验结果有力支撑了ICF激光驱动器激光参数精密调控设计。