巨型高峰值功率激光装置(简称激光装置)是以脉冲运行模式、输出激光脉冲宽度为数十飞秒至数纳秒、输出脉冲峰值功率为太瓦至百太瓦(脉冲峰值功率达到1012 W)范围，甚至高达拍瓦(1015 W)或吉瓦(1018 W)量级的大型科学实验装置，是目前世界上最具代表性的巨型光学工程之一，其总体规模与主要性能代表一个国家强激光技术与工程的最高水平。目前, 国际上仅有美国、法国等少数发达国家建立了这类巨型激光装置完备的研发体系。
早在20世纪90年代中期，我国著名高功率激光科学家范滇元院士在全面分析ICF/HEDP 研究需求与高功率激光技术发展趋势的基础上，准确地预言了高峰值功率激光技术与应用的主流趋势与基本技术特征。
第一代巨型高峰值功率激光装置的基本技术特征是采用“主振荡器＋功率放大(MOPA)”技术路线，系统结构为单口径、分离式结构，能量转换效率较低(远低于1%)。
第二代巨型高峰值功率激光装置是激光束数高达上百束、输出能量高达1 MJ以上的巨型科学装置，主要技术特征为采用方形光束、组合口径、多程放大以及较高的运行通量、模块化结构，在确保较高控制精度的前提下，追求较高的性能价格比。
第三代巨型高峰值功率激光装置的设计目标为10 Hz重复运行频率，高于10%的能量转换效率，输出脉冲能量大于10 MJ，主要技术特征为低重频、高效率、全宽带等。
神光III原型装置
神光III原型装置是亚洲第一台采用二代高峰值功率激光技术研制成功的激光装置，其任务定位首先是全面演示、综合考核二代高功率激光装置总体技术路线,包括总体技术方案、关键技术与光学元器件；其次，建成万焦耳级物理实验装置,服务于ICF/HEDP基础物理实验。
该装置是国内首台可输出8束口径为300 mm×300 mm的激光、三倍频(351 nm)脉冲能量高达万焦耳、可“8束对打”与“8束并打”的激光装置。原型装置于1995年底启动概念研究,历经概念设计、可行性设计、工程设计、工程研制、外协研制、安装集成、集成实验与试运行打靶等阶段，于2007年11月全面实现设计功能、性能达标，并正式投入运行。
中国二代万焦耳级高峰值功率原型装置总体设计与研发效果示意图
神光-III主机装置基本情况
神光-III主机装置于2007年开始设计并于2015年建设完成，是中国巨型光学工程的典型装置之一。这标志着我国已全面掌握二代巨型激光装置总设、总成、总控等核心技术。整个装置的总体规模与主要性能仅次于美国LLNL的NIF装置，其任务定位包括：
1) 建立二十万焦耳级ICF/HEDP物理实验能力，支撑ICF/HEDP物理实验综合能力升级换代,以及国防基础科研与聚变科学前期物理实验研究；
2) 重点解决二代巨型激光装置的工程问题，全面演示、综合考核装置总设、总成、总控工程方案与体系能力。
主机装置脉冲宽度优化设计运行点为3 ns，属于功率/能量兼容性高功率激光系统。装置仍采用4×2组束模式，可输出48 束口径为400 mm×400 mm的高能激光束，三倍频激光输出能力达到200 kJ/3 ns。
中国二代巨型二十万焦耳级主机装置靶场实验区照片。(a)靶场外部照片；(b)真空靶室内部照片
神光-III主机装置主要性能
与原型装置相比，主机装置的光束口径由300 mm×300 mm扩大到400 mm×400 mm，激光束数由8束(1套4×2束组)增加到48束(6套4×2束组)，且功能得到有效扩展、性能得到显著提升，主要体现在以下方面：
1) 装置实验打靶能力大幅度提升，是目前国际上第二台可实现双孔两环注入和六孔单环注入、满足多类ICF/HEDP物理实验打靶要求的巨型激光装置。
2) 基本解决了三倍频光学元件“亚线”(设计运行通量为3 J/cm2)运行条件下紫外光学元件三倍频损伤问题，三倍频激光运行能力显著提升，通量提升一倍，即由1.5 J/cm2提升至3.0 J/cm2。
3) 国内相关单位成功研制的400 mm×400 mm口径自适应变形镜(AO)，可替代小口径AO；同时研究与发展了基于“双程”补偿模型的波前控制技术，增强了整个子束全口径波前补偿能力。
4) 解决了小宽带运行条件下幅频效应(FM-to-AM效应)，首次在国内采用“连续相位板(CPP)+光谱角扫描(SSD)+偏振匀滑(PS)”束平滑技术路线，提升靶面光强分布管控能力，满足了ICF/HEDP基础物理实验基本要求。
5) 采用分区并行引导与瞄准定位技术，使48束激光的靶瞄准定位时间和精度与原型装置相当，即48束激光，打靶精度为2″/30 min。
6) 研究建立了甚多束脉冲功率平衡模型以及精密管控方法，实现了高对比度整形脉冲的功率平衡达到10%的设计要求。
7) 提出“高精度数据流选单”控制方法，研究建立主机装置高精度时域基准，项目实施解决了大时间跨度、较广空域分布、强电磁干扰环境下数千路高精度同步信号产生、传输与恢复的技术难题，实现了近百路皮秒级、数百路纳秒和上千路微秒触发信号以及数十路GHz精密锁相时钟信号的高精度、皮秒级抖动的稳定输出，脉冲之间同步抖动由原型装置的100 ps级降低至数ps级，达到世界先进水平。
8) 主机装置验收投入运行以来，运行效率与成功率已全面达到设计要求，年运行300余发次，运行成功率达到80%。
发展展望
两台二代巨型高功率激光装置研发作为中国高功率激光技术与工程发展的一个重要历史阶段。研究表明，基于全OPCPA技术途径，原型装置作为抽运源，在解决多束抽运条件下相干合成、高信噪比管控、米量级口径高强度压缩等关键技术的基础上，有望支撑输出能力高达200 PW超强激光装置的研制，建立HEDP物理实验国家能力。在此基础上，进一步探索解决甚多束抽运的高效率“合成”问题，可利用主机装置作为抽运源，研发国际上首台输出能力高达EW的超强超短激光装置。
论文链接：
张小民 ,魏晓峰.中国新一代巨型高峰值功率激光装置发展回顾.中国激光,2019,46(1): 0100003
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