前端預放係統作為高功率激光裝置的源頭，其主要功能是產生時域、頻域、偏振、空域等各項特性獨立可控的高品質種子激光脈衝。
1前端預放係統
1.1 第一代前端預放係統
在高功率激光裝置建設之初，基於固體激光技術的前端係統攻關重點集中在時間域：時間包絡勻滑的整形脈衝和各檔脈衝的精確同步。
神光裝置在九十年代就采用了LD抽運單縱模激光器和光觸發的同步技術。所攻克的四個技術難題有：單縱模種子源的發生技術；時間脈衝整形技術；短脈衝種子源發生技術；長短脈衝的同步技術。
種子源攻關的重點是獲得光滑的時間包絡，避免由跳模引起的異常高峰值激光輸出及其帶來的光學元件損傷。高功率激光物理國家實驗室（以下簡稱“聯合室”）在八九十年代成功解決了調Q單縱模振蕩器腔長控製的物理和技術問題，實現了長時間穩定的單縱模運轉[1]。利用高壓電脈衝經過微帶傳輸線後所產生的整形電脈衝驅動普克爾盒電光開關實現了激光脈衝的時間整形[2]。
采用Nd:YAG被動鎖模技術實現了短脈衝輸出[3]。利用GaAs光電導開關電阻隨照射光強的增大而線性減少的特性，首次研製成高靈敏度、超快激光正反饋迴路，在此基礎上實現了Nd:YAG激光的鎖模、自動跟蹤選單縱模、調Q和兩台激光器的輸出同步，同步精度達到納秒量級[4]。
上述工作為神光I和神光II裝置的成功運行起到關鍵作用。
1.2 第二代前端預放係統
圖 新一代集成化前端係統
隨著通信技術的發展，聯合室在國內率先開展了基於集成波導前端係統的研製攻關[5-6]，先後完成了神光II係列裝置新型前端種子源的工程樣機的研製工作，集成了單縱模光纖激光器[7-8]、光纖放大器、高速集成波導調製器[9]等前沿技術，係統指標與性能全麵實現工程設計需求。采用短脈衝觸發結合矽光電導開關技術實現了高精度同步輸出[10]。
近幾年來，隨著單元和集成技術的發展，新一代神光II裝置更是形成了具備時間同步、光譜、時間功率曲線、偏振、近場、能量穩定性等高精度控製能力的前端預放係統。其中，全域光束控製能力達到了世界先進水平，可有效支撐在聚變級驅動裝置的激光物理參數的調控能力。
2前端預放係統核心技術進展
2.1 高精度高穩定同步觸發技術
各檔脈衝的高精度高穩定同步性能是高能密度物理狀態演化的主動診斷、快點火研究、高效率內爆研究等方麵的核心需求。多檔脈衝的精確同步是前端分係統中最為核心的技術指標之一。
聯合室提出光觸發的同步技術方案，並采用光纖堆積和數模轉換等技術實現了長短脈衝同步精度優於4.1 ps（rms）（2小時）[11]。
由於光觸發同步技術受限於鎖模激光器序列的穩定性，實驗室就此提出同源時鍾鎖定，鎖模激光分頻的高精度同步方案，長短脈衝同步精度小於20 ps（PV）、3 ps( rms)（2小時）。
建立了多路物理測試診斷所需電時標和高精度同步觸發係統。信號與主激光之間的時間抖動＜3 ps(rms),20 ps（PV），且滿足一定的延遲調節量。
上述同步技術均已應用於神光II係列裝置中[12]。
2.2 高精度時間整形技術
建立了高精度時間脈衝整形閉環控製係統，采用2ns窗口誤差分析時，閉環後的脈衝波形全窗口的偏差控製到10%（PV）以內，主脈衝偏差3%（PV）以內。該技術為物理實驗提供了有效的技術支撐。
2.3 光譜調製展寬與檢測技術
頻域調控單元目前主要解決兩個問題，一是用於抑製大口徑石英元件的橫向受激布裏淵散射效應的光譜展寬；二是滿足ICF高功率激光裝置焦斑束勻滑需求的光譜展寬。
體位相調製器是高功率激光驅動器二維光譜色散勻滑技術的關鍵單元，聯合室在國內首次實現了3.25 GHz和10.302 GHz工作頻率的高頻體位相調製器的研製，建立了從設計、加工、以及綜合集成的初步工藝，實現了高性能的原理樣機。該技術單元的成功研製突破了我國2D-SSD技術發展的製約瓶頸，為後續相關研究奠定了堅實的器件基礎[13]。
圖 調製器樣機實物圖（左圖）；10.3GHz體位相調製器的S11曲線（右圖）
同時也在國內首次利用光纖光柵邊緣濾波的技術實現了光譜的安全監測閉環控製。當光譜未被展寬時，切斷係統光路，以保證後續大口徑光學元件的安全運行。
單次激光脈衝的高分辨率光譜測試是一個技術難點。聯合室采用一組體光柵，研製了分辨率為3 pm，量程為1.2 nm@1053nm的可利用光纖取樣的高分辨單次光譜儀，為高功率激光裝置的光譜控製技術提供了重要的測試手段。
圖 高分辨光纖光譜儀（左圖），與波長計定標結果（右圖）
2.4 單偏振控製技術
聯合室在國內首次構建了基於單偏振光纖傳輸體係的前端係統，驗證了單偏振前端係統對偏振模色散所引起的幅度調製的穩定抑製[14]。同時，針對係統由頻率調製所引起的幅度調製實現了實時監測[15]。
2.5 近場強度控製技術
近場強度控製技術是提升高功率激光係統運行通量水平的關鍵技術之一。近場強度控製器件的技術難點主要是高精度的近場強度控製能力、小波前畸變、高透射率以及高破壞閾值。
聯合室在國內首次實現了通光區域透過率達99.9%、損傷閾值高於15 J/cm2@3ns的小波前畸變的靜態近場整形元件的設計、加工以及工程應用[13]。該器件一是可以作為激光係統中軟邊光闌使用，對激光近場的邊緣輪廓進行整形；二是可以實現激光係統中近場強度分布的精確控製[16]。
圖 高損傷閾值靜態近場控製元件實物圖（左圖）和整形效果圖（右圖）
為滿足高功率激光裝置對激光的實時近場控製需求，聯合室研製了基於光尋址空間光調製器的高效集成化近場主動控製器件[17-19]，其通光口徑22 mm×22 mm；波前畸變0.3λ(13 mm×13 mm);λ(22 mm×22 mm)；透過率大於85%。
圖 光尋址液晶空間光調製器實物圖（左）和 近場空間強度分布控製效果圖（右）
至此，聯合室實現了靈活的近場強度控製技術，既有高損傷閾值的靜態近場控製元件，又有在線可實時調控的透射式空間光調製器件。目前，上述兩類器件均已經在神光II係列裝置上運行，並應用於其他研究領域。
2.6 高增益預放大器技術
預放大係統是高功率激光裝置最大增益段，總增益大於90 dB，新型預放係統由兩到三級放大器組成。第一級采用再生放大構型，後級多采用多程構型。
釹玻璃再生放大器具有帶寬寬、高穩定、高效率等顯著優點，作為預放單元在高功率裝置的輸出能量穩定性和功率平衡的精確控製方麵具有突出優勢。
聯合室在長脈寬釹玻璃再生放大器領域進行多年開發與改進[20]，完成了放大器的研製，輸出能量10 mJ/1 Hz，穩定性優於1%（rms）,並進行了長期工程化運行考核。目前已具備和國際水平相當的高性能高穩定釹玻璃長脈寬再生放大器的生產能力。
圖 釹玻璃再生放大器實物圖（上圖），能量穩定性測試結果（下圖）
同時攻關研製了焦耳級離軸四程放大的單次預放係統，實現了總增益12500倍，輸出能量達到10 J的高品質激光放大脈衝，為下一代小型化預放係統奠定了技術基礎[21]。
圖 離軸四程放大器的光路示意圖（左圖）和近場分布（右圖）
以提升全係統運行效率為目標的重頻預放係統是當前的研究熱點。實驗室研製的焦耳級重頻預放係統采用同軸四程放大器結構，實現了重複頻率1 Hz，輸出能量1.2 J；穩定性1.2%（rms）；近場調製度1.2:1（光束口徑7mm x7mm）；遠場95%的能量集中在3倍衍射極限內。該技術指標在氙燈抽運重複頻率釹玻璃放大器技術領域屬首次報道[22]。
圖 重頻預放係統遠場輸出二維和一維圖
2.7 高信噪比皮秒短脈衝光源技術
高增益高信噪比皮秒OPCPA種子源的研製有利於提高整個高功率短脈衝激光係統的信噪比，它從噪聲產生根源出發，將參量熒光限製在皮秒時域窗口內，同時降低後續納秒域OPCPA的增益需求，是目前國際上提高信噪比的主要途徑之一。
聯合室自主搭建的皮秒毫焦耳多功能實驗平台以及皮秒OPCPA高信噪比注入種子光，各項指標不僅滿足工程上的需求，而且在能量、穩定性、信噪比、近遠場光束質量等方麵達到國際先進水平[23-24]。
2.8 納秒焦耳級OPCPA抽運源技術
為了獲得較好的OPCPA輸出穩定性，要求OPCPA抽運源脈衝時間波形為方波、光強近場分布近平頂、時間同步精度高、輸出能量穩定。
2010年投入運行的焦耳級納秒OPCPA抽運源，為神光II第九路高性能OPCPA預放大器輸出乃至PW係統的高性能輸出提供了關鍵的技術支撐。
3 總結和展望
經過近三十年的積澱，前端預放技術已達到國際先進水平，可滿足聚變級驅動器的功能和性能需求。同時，經多年的攻關，在單元技術和係統集成技術方麵取得了多項關鍵技術突破。
展望未來，高能密度物理與應用研究物理實驗對驅動器的需求將進一步提高，期望著高功率激光裝置具備更為靈活和精益求精的光束控製能力，聯合室將砥礪前行，繼續在相關領域踏實攻關，取得更多的技術突破。
致謝：感謝前端組全體人員。
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