大型激光裝置脈沖波形調(diào)控技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2023-09-04 來源：《強(qiáng)激光與粒子束》2023年35卷第8期
摘 要
精密高效的脈沖波形調(diào)控是大型激光裝置滿足慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)需求的重要技術(shù)之一。脈沖波形生成原理是通過編輯任意波形發(fā)生器中每個(gè)子脈沖的電壓值，經(jīng)電光調(diào)制器轉(zhuǎn)換為光脈沖強(qiáng)度形成任意形狀的激光脈沖輪廓。在電光轉(zhuǎn)換過程中，各子束響應(yīng)過程并非線性且子束間存在個(gè)性差異。為實(shí)現(xiàn)此條件下精密高效的脈沖波形調(diào)控，制定并開發(fā)了基于閉環(huán)迭代思路的激光脈沖波形快速調(diào)控方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法可在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意脈沖波形整形，并具備23∶1高對比度脈沖波形調(diào)控能力，調(diào)控精度均優(yōu)于10% (rms)，滿足常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件下對激光參數(shù)調(diào)控的精度和效率需求。
關(guān)鍵詞
高功率激光裝置；脈沖整形；迭代算法
正 文
慣性約束聚變（ICF）采用激光裝置產(chǎn)生的高能量激光脈沖作用于物質(zhì)。不同實(shí)驗(yàn)的激光脈沖形狀需求不同，且束間激光脈沖的一致性對精密物理實(shí)驗(yàn)成敗至關(guān)重要。國外高功率激光裝置，如美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）和法國兆焦耳激光裝置（LMJ），均是由前端產(chǎn)生激光脈沖并進(jìn)行時(shí)間輪廓整形，然后由預(yù)放大器和主放大器進(jìn)行能量放大和空間擴(kuò)束，最后經(jīng)終端系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換為三倍頻光。為了實(shí)現(xiàn)所需的三倍頻光時(shí)間脈沖輪廓，需要執(zhí)行兩步流程。首先，采用逆算模型從目標(biāo)三倍頻脈沖反演計(jì)算出預(yù)放段重頻目標(biāo)波形，然后在重頻波形測量點(diǎn)與前端任意波形發(fā)生器之間進(jìn)行閉環(huán)迭代。NIF采用的閉環(huán)方式是在波形幅度調(diào)制系統(tǒng)中用任意波形發(fā)生器對45 ns方波進(jìn)行雕刻，并在迭代過程中引入了一個(gè)基于電壓調(diào)整量變化的調(diào)整因子來應(yīng)對非線性響應(yīng)帶來的問題。當(dāng)波形閉環(huán)連續(xù)6次迭代的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于設(shè)定閾值時(shí)，則滿足收斂要求停止閉環(huán)。NIF子脈沖為300 ps的高斯電脈沖，為獲得小于100 ps的上升沿，引入了方波調(diào)制器對激光脈沖邊緣進(jìn)行裁剪。此外，NIF子束間具有良好的一致性。通過開發(fā)軟件、集成算法和策略，NIF實(shí)現(xiàn)了1 h自動閉環(huán)48個(gè)脈沖波形的能力。
其他在建或建成的大型激光裝置同樣迫切地面臨精密波形調(diào)控能力的建設(shè)以滿足物理實(shí)驗(yàn)需求。由于各個(gè)裝置的個(gè)性差異，NIF裝置的方式并不完全適用于其他裝置。對于我國ICF激光裝置來說，每個(gè)子束獨(dú)立可調(diào)且具有明顯增益差異。此外，任意波形發(fā)生器的子脈沖是100 ps的高斯電脈沖，能天然地產(chǎn)生更陡峭的上升沿和下降沿。針對我國裝置的特性，需專門定制算法和策略，開發(fā)脈沖波形閉環(huán)軟件。
本文介紹了我國ICF激光裝置脈沖波形調(diào)控技術(shù)。在子束差異顯著且電脈沖幅度轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖幅度過程是非線性響應(yīng)過程的場景下，通過開發(fā)算法、制定策略和軟件，實(shí)現(xiàn)了適用于所有子束的高效率、高精度脈沖波形閉環(huán)調(diào)控能力。
Part.01 脈沖波形整形原理 1.1 脈沖整形的響應(yīng)原理和特性
脈沖波形整形過程是通過任意波形發(fā)生器產(chǎn)生許多脈寬為100 ps的單元電脈沖，電脈沖作用到電光調(diào)制器對光脈沖強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)堆積不同數(shù)量、不同電壓值的單元電脈沖時(shí)，即可產(chǎn)生不同形狀的光脈沖。圖1展示了電脈沖堆積與光脈沖輸出的示意圖。整形后的光脈沖再繼續(xù)傳輸和放大。
圖1 脈沖堆積實(shí)現(xiàn)波形輪廓整形
由于器件、預(yù)放重頻增益的差異，各路所表現(xiàn)出來的響應(yīng)曲線并不相同。測試發(fā)現(xiàn)，即使在同一路中，不同數(shù)量的電脈沖堆積所產(chǎn)生的電光幅度響應(yīng)也不同，如圖2所示。也就是說，電脈沖相互間存在著級聯(lián)效應(yīng)，即對鄰近的幅度響應(yīng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)。但其響應(yīng)過程仍存在著非線性響應(yīng)的共性特征，在低電壓區(qū)響應(yīng)遲鈍，在高電壓區(qū)出現(xiàn)飽和效應(yīng)?；谝陨咸匦?，很難用一個(gè)簡單的響應(yīng)函數(shù)來描述復(fù)雜的脈沖輪廓整形，因此，我們?nèi)匀徊捎没陂]環(huán)迭代的策略進(jìn)行脈沖波形整形。
圖2 不同數(shù)量子脈沖堆積的電光響應(yīng)曲線
1.2 脈沖整形的流程設(shè)計(jì)和算法
圖3是實(shí)現(xiàn)脈沖波形閉環(huán)整形的流程設(shè)計(jì)。首先，由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生初始電脈沖序列，作用于電光調(diào)制器后生成初始光脈沖形狀；初始脈沖經(jīng)傳輸放大后在測量點(diǎn)由示波器捕獲脈沖形狀；之后由閉環(huán)軟件計(jì)算目標(biāo)波形和實(shí)測脈沖波形的差異；若此差異滿足偏差要求，則輸出該電壓波形，若不滿足，則根據(jù)差異完成電壓調(diào)整，調(diào)整后的電壓值再次加載到任意波形發(fā)生器上，直至實(shí)測脈沖波形滿足要求。迭代流程中電壓波形加載和計(jì)算時(shí)長通常在5 s內(nèi)，脈沖波形采集時(shí)間通?？梢钥刂圃?0s內(nèi)，則單輪流程可控制在30 s內(nèi)，按最多迭代次數(shù)20輪計(jì)，通常10 min內(nèi)可完成一個(gè)脈沖波形調(diào)控。
圖3 脈沖波形閉環(huán)流程
閉環(huán)流程的核心是迭代算法，其基本思路是補(bǔ)償偏差。假設(shè)電脈沖作用于電光調(diào)制器的過程是線性的，則在一個(gè)脈沖波形序列的第i個(gè)位置處應(yīng)加載的電壓
Vi=VmaxGi
式中：Gi是歸一化目標(biāo)波形位于第i個(gè)取樣點(diǎn)處幅值；Vmax是任意波形發(fā)生器上最大可用電壓；Vi是該位置點(diǎn)處應(yīng)加載的電壓。實(shí)際上，電光響應(yīng)過程是非線性的，再加上鄰近子脈沖的級聯(lián)響應(yīng)，其過程更為復(fù)雜。因此，測量波形與目標(biāo)波形之間會存在響應(yīng)的偏差，根據(jù)此偏差進(jìn)行電壓修正
ΔVi=k(Gi?Mi)VmaxGi
式中：Mi是歸一化實(shí)測波形位于第i個(gè)取樣點(diǎn)處幅值；k是引入的一個(gè)調(diào)整因子，用來提升迭代效率和精度。隨著迭代結(jié)果逐漸逼近目標(biāo)，調(diào)整因子的值也是動態(tài)調(diào)整的。依據(jù)大量調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和效果獲得了圖4中黑線所示的階梯調(diào)整因子，其大多數(shù)時(shí)候使脈沖波形閉環(huán)迭代具有很好的收斂性，但當(dāng)實(shí)測脈沖波形與目標(biāo)波形偏差處于階梯處時(shí)，收斂出現(xiàn)震蕩。為此參考了圖2的響應(yīng)曲線，考慮將響應(yīng)曲線的趨勢結(jié)合到階梯調(diào)整因子中，獲得了圖4中紅線所示的優(yōu)化后調(diào)整因子。且偏差量超過設(shè)定的圖示范圍時(shí)，調(diào)整因子直接取最大值。
圖4 調(diào)整因子隨偏差量的取值變化
1.3 迭代過程中的脈沖波形對齊
當(dāng)計(jì)算測量波形與目標(biāo)波形的偏差量時(shí)，測量波形與目標(biāo)波形之間必須實(shí)現(xiàn)一致的時(shí)序?qū)R，否則將導(dǎo)致下一輪偏差計(jì)算錯(cuò)位，進(jìn)而打亂整個(gè)閉環(huán)流程。通常的波形對齊方式采用上升沿對齊、下降沿對齊或質(zhì)心對齊。當(dāng)脈沖波形沒有陡峭的上升沿或者下降沿時(shí)，上升下降沿對齊是無效的。而質(zhì)心對齊對正在調(diào)整的、時(shí)間積分面積不斷變化的波形來說也不適用。本閉環(huán)流程中采用添加一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)脈沖的方式，如圖5所示，在任意波形發(fā)生器上與整形脈沖下降沿間隔1 ns的位置增加一個(gè)電脈沖，利用該電脈沖形成的高斯光脈沖的峰值確定整形脈沖波形時(shí)間窗口，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)波形穩(wěn)定的時(shí)序?qū)R。當(dāng)閉環(huán)流程完成后存儲電壓波形時(shí)，去掉基準(zhǔn)脈沖。
圖5 利用基準(zhǔn)時(shí)序脈沖對齊測量脈沖與目標(biāo)波形
1.4 上升沿校正
不同電纜在傳輸電信號過程中，響應(yīng)性能不同，導(dǎo)致信號上升沿坍塌，在電光轉(zhuǎn)換形成光脈沖輪廓時(shí)，光脈沖輪廓上升沿出現(xiàn)相應(yīng)的坍塌，如圖6所示。在閉環(huán)逼近目標(biāo)波形的過程中，上升沿需進(jìn)行過量校正。在此過程中，由于電脈沖序列首點(diǎn)左側(cè)不存在其他電脈沖的級聯(lián)耦合作用，首個(gè)電脈沖將會過度修正而使上升沿形成尖峰。
圖6 電信號經(jīng)不同電纜傳輸后產(chǎn)生不同光脈沖響應(yīng)
為了避免首個(gè)電脈沖過度修正，必須對其進(jìn)行電壓值干預(yù)。通過多次測試和優(yōu)化，每一次迭代計(jì)算后，首個(gè)電脈沖的電壓設(shè)置如下
V1=V2
式中：V1和V2分別是第一、第二個(gè)子脈沖電壓。
1.5 收斂判據(jù)
受限于光纖傳輸和空間光傳輸?shù)母鞣N效應(yīng)，如幅頻效應(yīng)，測量條件和算法整形能力、整形輸出脈沖波形與目標(biāo)不可能完全一致，且脈沖波形迭代收斂到一定程度后出現(xiàn)震蕩。脈沖波形收斂程度以測量波形與目標(biāo)波形之間偏差的均方根（式（4））來表征，其值越小，收斂度越好。此外，由于上升下降沿在測量上的響應(yīng)度不足，連續(xù)脈沖波形的第一個(gè)點(diǎn)和最后一個(gè)點(diǎn)以及整形脈沖波形的臺階處不計(jì)入均方根計(jì)算。目前采用的策略為設(shè)置固定的閉環(huán)次數(shù)，到達(dá)設(shè)定次數(shù)閉環(huán)即停止。每次迭代計(jì)算的電壓值、均方根（rms）值均暫時(shí)存儲，待閉環(huán)結(jié)束后，從中自動挑出rms值最小的電壓值作為最終閉環(huán)輸出。
Part.02 實(shí) 驗(yàn)
根據(jù)以上算法和策略，我們在裝置上開展了大量測試，并開發(fā)了軟件平臺，形成應(yīng)用。在圖3所示的閉環(huán)流程中，任意波形發(fā)生器的可調(diào)電壓范圍為0～0.35 V, 電信號子脈沖脈寬100 ps，激光波長1053 nm，整形、放大后的重頻脈沖采用光電探頭和示波器測量。光電探頭的波長響應(yīng)范圍為300～1100 nm，響應(yīng)時(shí)間為60 ps，示波器采樣率為8 GHz。閉環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，計(jì)算示波器測得的波形與目標(biāo)波形偏差，通過式（2）修正后重新加載電壓至任意波形發(fā)生器。閉環(huán)系統(tǒng)將重復(fù)此流程直至設(shè)定的閉環(huán)次數(shù)結(jié)束。圖7是在裝置三條不同子束中開展的不同形狀的脈沖波形閉環(huán)，分別是指數(shù)波、整形波形和23∶1高對比度脈沖。每個(gè)脈沖波形設(shè)定了20次閉環(huán)，耗時(shí)約8 min，閉環(huán)結(jié)束后自動從中輸出最優(yōu)閉環(huán)結(jié)果。三種脈沖波形的最優(yōu)閉環(huán)結(jié)果分別出現(xiàn)在第5次用時(shí)2 min、第20次用時(shí)8 min和第16次用時(shí)6 min，其rms值分別是2.98%、5.11%和8.29%。其中，指數(shù)波和整形波形是通過目標(biāo)波形直接生成初始輸入電壓，測量噪聲和幅頻調(diào)制沒有進(jìn)行精密控制；而為了保障23∶1高對比度脈沖波形的閉環(huán)精度和效率，初始輸入電壓采用歷史類似脈沖波形的電壓加載、測量噪聲和幅頻調(diào)制均控制到最低后才進(jìn)入閉環(huán)流程。
圖7 三種脈沖波形的閉環(huán)結(jié)果
從閉環(huán)結(jié)果來看，圖7（a）和圖7（b）都存在指數(shù)波形狀部分，由于幅頻調(diào)制的影響，圖7（a）指數(shù)波部分偏差大于圖7（b），圖7（b）和圖7（c）都存在腳平臺部分，且圖7（c）的腳平臺更低，但由于對圖7（c）的脈沖測量信噪比進(jìn)行了優(yōu)化，其腳平臺偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖7（b）。通常，為了獲得脈沖波形整體rms優(yōu)于10%的整形精度，10∶1左右的普通脈沖信噪比應(yīng)控制在15∶1以上，幅頻調(diào)制對比度需控制在0.1以下，20∶1以上高對比度脈沖波形應(yīng)將信噪比控制到40∶1以上并消除調(diào)制。而調(diào)控效率會受到調(diào)控靈敏度影響，在圖2所示的低電壓和飽和電壓區(qū)，調(diào)控能力遲鈍。因此整形波形閉環(huán)次數(shù)多于簡單脈沖波形，越高對比度的脈沖波形需要的閉環(huán)次數(shù)則更多。為了減少迭代次數(shù)，可以優(yōu)化初始加載電壓，如使用歷史類似脈沖波形電壓、抬升低平臺電壓、建立機(jī)器學(xué)習(xí)等方式。圖7（c）的初始電壓使用了歷史類似脈沖波形的電壓，大大減少了后續(xù)迭代次數(shù)。調(diào)控效率同時(shí)也受硬件、軟件及使用策略的約束，如示波器采集時(shí)間、軟件是否支持多子束并行等。軟件和使用策略應(yīng)基于操作可靠性和便捷性進(jìn)行開發(fā)和制定，以實(shí)現(xiàn)高效脈沖波形整形。
Part.03 結(jié) 論
基于ICF物理實(shí)驗(yàn)對激光參數(shù)多樣性和復(fù)雜性的需求，以及裝置各子路存在個(gè)性差異且獨(dú)立可調(diào)的特點(diǎn)，本文中，開發(fā)了具有適應(yīng)子束差異的波形迭代算法，可在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)10∶1對比度左右的任意波形整形，并具備23∶1高對比度波形調(diào)控能力，調(diào)控精度均優(yōu)于10% (rms)。但對于更高對比度脈沖波形整形，需提升波形質(zhì)量和測量條件，優(yōu)化算法。通過流程和軟件控制，算法可滿足多子束并行的自動波形調(diào)控。
