上海光机所在ICF高功率激光驱动器幅频调制(FM-to-AM)研究中取得新进展

近期，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研究团队针对神光Ⅱ升级装置全链路的幅频调制(FM-to-AM)情况进行了分析。相关成果以“Theoretical analysis of frequency modulation-to-amplitude modulation on the final optics and target of the SG II-Up laser facility”为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。

在优化惯性约束核聚变中激光-靶的相互作用时，要求每束激光都具有良好的时间-功率曲线控制能力以及靶面均匀性控制。而幅频调制(FM-to-AM)是影响高功率激光装置时间-功率曲线的一个重要因素。在高功率激光驱动器中，为了避免大口径光学元件的受激布里渊散射(SBS)效应，实现更平滑的靶面光强分布，需要在前端系统中采用基于正弦相位调制的频谱展宽技术。理想情况下，纯相位调制不影响时间特性，然而当调频激光以非均匀传递函数进行传输时，频率调制将转换为幅度调制。对于高功率激光驱动器，幅频调制的产生来源是多种多样的。由于时间-功率曲线控制会影响激光-靶的最佳相互作用，且调幅产生的强度峰值会破坏光学器件并影响激光器的性能，因此抑制FM-to-AM转换至关重要。目前，美国的NIF装置、法国的LMJ装置以及中国的神光系列装置等均对FM-to-AM的抑制开展了一系列研究工作。

研究人员前期采用基于单偏振传输光纤的全单偏振前端系统和基于光栅的群速色散补偿单元，解决了偏振模色散和群速色散引起的幅频调制，同时发展了全光谱段保真放大技术，解决了放大系统的增益窄化问题，实现基频时域调制度小于5%@0.3nm(3G+20G)。

在该工作的基础上，研究人员进一步开展了纳秒终端和靶面的幅频调制量的评估研究，结果表明，由于色散光栅和聚焦系统的结合，楔形靶镜(WFL)入射面上的调制度为19%，而靶面上的调制度为4.9%。值得注意的是，50%的调制度来源于高频的20GHz。此外，在光谱色散匀滑阶段使用的色散光栅会引入时间延迟，该色散光栅和聚焦透镜的共同作用相当于一个8GHz (3dB带宽)的高斯低通滤波器，其中20GHz的光谱成分透过率小于15%，高频成分被大大滤除，实现了将靶面上的调制度降低到5%以下。

该工作为ICF高功率激光驱动器运行过程中的幅频调制监测、终端光学组件的负载能力评估以及激光-靶相互作用评估提供了重要依据。

相关研究得到中国科学院战略重点研究项目支持。

图1：3G+20G双频相位调制下， (a)主放大器后；(b)WFL入射面上；(c)光束取样光栅上以及(d)靶面上的幅频调制以及对应的强度谱分布情况。

图2：(a)楔形靶镜前(蓝色)后(红色)的时域调制情况；(b)AM谱传递函数