根據脈沖的長短，拍瓦級激光可分為飛秒（一千萬億分之一秒）和皮秒（一萬億分之一秒）兩種類型。前者如“天下武功，唯快不破"，追求瞬時作用的；后者則似“重劍無鋒，大巧不工"，更注重短時能量的厚重釋放。它們都是科學家推動激光核聚變研究、探索物質狀態、研發新型粒子源的關鍵工具。

       啁啾脈沖放大技術是高功率超短脈沖激光發展中的標志性突破，它有效緩解了提升峰值功率與避免光學元件損傷之間的矛盾。該技術由Mourou和Strickland在1985年提出，其核心原理包含三個步驟：先將脈沖展寬以降低功率密度，然后在低強度下進行放大，最后將脈沖重新壓縮。這一過程顯著抑制了放大過程中出現的非線性效應與光學損傷。1996年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在激光聚變驅動裝置NOVA上成功應用CPA技術，研制出世界上首套拍瓦級激光系統NOVA-PW，開啟了拍瓦激光時代。

       上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯合實驗室團隊早在20世紀90年代初期就開展相關研究工作，在陳紹和研究員的帶領下獨立自主開展固體鎖模激光脈沖放大技術研究。經過數十年的持續攻關，依托神光II綜合實驗設施，先后成功研制了亞皮秒激光系統（SPS）、神光II升級皮秒拍瓦激光裝置（SG-II-UP PW）和神光II飛秒數拍瓦激光裝置（SG-II fs Multi-PW）三臺里程碑式的超短脈沖激光裝置，光路示意如圖1所示。其中，SG-II-UP PW是我國首套皮秒拍瓦激光裝置，SG-II fs Multi-PW實現飛秒拍瓦激光與大能量納秒激光的組合打靶能力。

圖1 神光II系列裝置高功率超短脈沖激光系統示意圖。（a）SPS；（b）SG-II-UP PW；（c）SG-II fs Multi-PW

       神光II系列裝置的性能，得益于一系列關鍵核心技術的持續突破與創新。

2.1 高信噪比前端技術：純凈的“激光種子"

       激光的“信噪比"至關重要，即主脈沖強度與背景噪聲的比值。若噪聲過高，會在主脈沖到達靶點之前形成預等離子體，嚴重影響主脈沖的打靶效果。聯合實驗室發展了基于皮秒光參量放大（ps-OPA）和納秒光參量啁啾脈沖放大（ns-OPCPA）等高增益預放大技術。將噪聲抑制在極短的時間窗口內，在拍瓦前端實現了優于1010的超高信噪比，為獲得高質量的物理實驗結果奠定了堅實基礎。

2.2 寬帶脈沖放大技術：兩條技術路線并行發展

       針對不同脈寬需求，神光II平臺并行推進了兩種主流放大技術：

       啁啾脈沖放大技術。主要用于皮秒拍瓦裝置。采用大口徑釹玻璃作為增益介質，通過創新的多程放大構型（四程內腔放大結合兩程助推放大），成功將啁啾脈沖能量放大至數千焦耳，同時有效控制了放大自發輻射等噪聲，如圖2所示。

       光參量啁啾脈沖放大技術。主要用于飛秒拍瓦裝置。該技術利用非線性晶體，具有增益帶寬大、熱效應低等優勢。SG-II fs Multi-PW裝置創新性地采用多級非共線OPCPA放大鏈，分別以自研Nd:YAG激光器及神光II裝置的納秒激光作為泵浦源，實現了能量49.7 J、譜寬85 nm的啁啾脈沖放大，壓縮后峰值功率達1.76拍瓦。

圖2 多程放大構型的關鍵性能。（a）多通主放大構型示意圖；（b）輸出能量；（c）光譜分布；（d）遠場分布

2.3 激光脈沖壓縮技術：挑戰米級光柵的極限

       壓縮器是將放大后的啁啾脈沖壓回超短脈寬、從而獲得超高峰值功率的一道關口，其核心是大口徑衍射光柵，如圖3所示。SG-II fs Multi-PW裝置，為了支持數十飛秒的極短脈沖輸出，采用了基于大口徑超寬帶鍍金光柵的脈沖壓縮技術。SG-II-UP PW裝置面臨著實現千焦耳級能量壓縮的挑戰，采用了光學拼接的米級介質膜光柵。團隊深入研究了拼縫衍射及相位誤差對光束質量的影響，并通過自適應光學技術進行校正，實現了良好的遠場聚焦性能。

圖3 超短脈沖激光大口徑脈沖壓縮光柵。(a) SG-II fs Multi-PW的鍍金光柵；(b) SG-Il-UP PW的介質膜光柵

2.4 超快測量技術：為激光系統裝上“超快眼睛"

       表征和測量皮秒及飛秒級的激光脈沖是一項技術，聯合室在時空全域測量和時域相位恢復等領域取得了系列技術突破：

       時空全域測量。創新性地提出了激光光場時空全域特性測量技術，能夠單發次獲取超短脈沖在時間、空間和頻譜三個維度的完整信息，為診斷和校正激光脈沖的復雜時空畸變提供強大工具。

       時域相位恢復。發展了單次寬帶TG-FROG等技術，能夠實現復雜激光脈沖的完整表征，并提出了多網格并行疊層重建算法，顯著提升了脈沖波形的相位恢復速度、精度和抗噪能力。

       高性能的激光平臺催生了一系列具有國際影響力的物理實驗成果。

3.1 激光聚變快點火實驗研究

       快點火是慣性約束聚變的一種新途徑，有望降低點火對激光總能量的需求。研究團隊在SG-II-UP PW裝置上完成了國際間接驅動快點火集成實驗。實驗利用納秒激光先壓縮燃料靶丸，再用皮秒拍瓦激光進行加熱，觀測到中子產額增加了44倍，明確驗證了皮秒激光對預壓縮燃料的有效加熱效果。此外，張杰院士提出的雙錐對撞點火新方案也在該平臺上完成了多輪實驗驗證，為聚變能源研究探索了新的技術路徑。

3.2 超短脈沖激光質子加速實驗

       激光與物質相互作用可以產生高品質的高能質子束，在腫瘤放療、材料研究等領域有廣闊應用前景。SG-II-UP PW裝置在該領域不斷取得突破。2017年，實現了質子能量大于50 MeV的輸出；2021年，進一步將質子加速能量紀錄提升至70 MeV以上，創造了當時國內該加速機制下的紀錄。

3.3 等離子體物理超快診斷研究

       利用SG-II fs Multi-PW裝置產生的超寬帶啁啾脈沖作為探針光，團隊發展了一種臨界表面演化的新型光學診斷方法。該方法能夠精確測量激光慣性約束聚變過程中等離子體臨界表面的動態變化，為了解激光與等離子體相互作用的復雜物理過程、優化能量耦合效率提供了新型的高時空分辨率診斷手段。

        神光II系列超短脈沖激光裝置的成功研制與運行，標志著我國已系統掌握了高功率拍瓦激光裝置的設計、研制和運行能力，并形成了“技術突破-裝置研發-物理應用"的完整創新體系。在關鍵技術方面，我國已從跟跑進入并跑階段，部分核心指標達到水平。

       面向未來發展，高功率超短脈沖激光技術正由單純追求峰值功率，轉向兼顧高峰值功率與高平均功率的協同提升，進而推動激光系統從單次脈沖運行模式向高重復頻率穩定運行模式演進。

參考文獻： 中國光學期刊網

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