1 引言

在惯性约束聚变实验中,为保证实验效果,要求高功率激光装置发出的多束激光束同时到达靶点来对靶丸进行压缩。多束激光的时间同步测量精度和调节速度,对于提高装置运行能力和运行效率具有重要意义^[1-3]。

高功率激光装置主要采用如下几种方法对靶点处脉冲时间进行同步测试。1)美国诺瓦(NOVA)装置在靶室前的pickoff镜处对光束进行取样,利用条纹相机测量各待测光束与时标光束的时间同步差,从而得到各光路间的时间同步差,同步测量精度为10 ps^[4]。2)美国国家点火装置(NIF)通过测试高能激光打金盘靶所激发X光的时间同步来反演激光脉冲在靶点处的时间同步,测试前需精确调节各路激光在靶盘上的弹着点,其时间同步测量精度为6 ps^[5]。3)我国的神光Ⅱ装置早期采用通过模拟靶丸及光纤将光束导引到单个条纹相机进行同步测试的方法,测试前需要对模拟靶丸的姿态进行精密调节,使得模拟靶丸中各光纤耦合透镜与光路精确对接,束间时间同步测量精度为10 ps^[6];该装置升级改造后采用在靶室窗口对光束取样,并使用光电管结合示波器的测量方法,测试前预先对探测器和信号电缆的延时差异进行标定,测试中通过改变光电管的位置获得测试光路相对于参考光路光束到达取样点的时间同步差^[7]。我国的多路大型高功率激光装置在建设初期采用先测量参考光路脉冲到达靶点与到达基准点之间的时间间隔,后测量待测光路脉冲到达靶点与参考光路脉冲到达基准点之间的时间间隔,两个时间间隔相比较得到时间同步差的方法,测试精度为25.2 ps^[8]。

为了缩短测试准备时间,同时规避操作人员进入靶室所带来的安全风险,本文提出了一种基于共轭反射的时间同步测试方法。首先,在靶点两侧放置一对相互平行、相对靶点距离相等的反射镜,在反射镜关于靶点的共轭像点处放置两个具有较大接收角度的高速光电探测器;随后,将靶室上下两个半球入射到靶点的低能量重频脉冲激光分别反射到共轭像点处的两个光电管,光电管输出波形信号的时间间隔即为待测光路之间的时间同步差。该方法的准备时间短、测试效率高,能够充分利用现有靶室中心监测设备对反射镜位置进行快速精确定位,实现靶点处多路光束同步差的快速实时观测调整。

2 测试原理及方法

高功率激光装置输出的脉冲宽度通常远大于束间时间同步精度的测试要求^[9],无法使用单个探测器在靶点处对同步差进行直接测试。为实现靶点处多束激光时间同步的精密测量,需要对入射到靶点处的激光进行空间分离,所采用的时间同步测试方法的原理如图1所示。

测试前,在靶室外将靶点同步测量组件固定在靶传感器支架上并通过靶传感器精密搭载平台将支架及同步测量组件一并送入靶室内。靶点同步测量组件主要由反射镜1、反射镜2、光电管1、光电管2、定位基准及配套支撑结构组成,其中光电管1和定位基准关于反射镜1共轭对称,光电管2和定位基准关于反射镜2共轭对称;随后通过使用靶室中心监测仪观测定位基准对靶点同步测量组件的位置进行调节,直至定位基准位于靶室赤道面。此时光电管1和靶点关于反射镜1共轭对称,光电管2和靶点关于反射镜2共轭对称,靶室上半球任意角度入射到靶点的光束经反射镜1反射后入射到光电管1,且光束到达光电管1的光程与到达靶点的光程相等;靶室下半球光束任意角度入射到靶点的光束经反射镜2反射后入射到光电管2,且光束到达光电管2的光程与到达靶点处的光程相等。

图 1. 时间同步测试原理图

Fig. 1. Schematic of time-synchronization measurement

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测试时首先根据高频电缆1和高频电缆2的传输延时差异τ的标定结果,将示波器两通道的延时调整为τ;随后任选靶室上半球一光路为基准路,下半球中任一光路作为待测路,基准路和待测路同时发射半峰全宽(FWHM)为200 ps的高斯分布重频脉冲,基准路激光脉冲经反射镜1入射到光电管1,待测路激光脉冲经反射镜2入射到光电管2,示波器上显示两个激光脉冲的波形,基准路脉冲顶点在示波器时基坐标上的示值为t₁,待测路脉冲顶点在示波器时基坐标上的示值为t₂,则两条光路之间的时间同步差Δt=t₂-t₁。

若Δt=0,待测路与基准路在靶点处完全同步,无需进行同步调节;若Δt≠0,则需调节待测路脉冲的光程,使其在靶点处与基准路达到完全同步,当Δt>0时,需缩短待测路光程,当Δt<0时,需延长待测路光程。待测路脉冲光程的调整在光路的前端完成,通过调节任意波形发生器上的脉冲发生时序完成粗调,调节精度为100 ps;通过前端光路中的光纤延时器完成精调,调节精度为1 ps,调节完毕后在示波器上对Δt进行复测,确认Δt=0后即可更换另一条下半球待测路进行测试。所有下半球光路测试完毕后,任选一下半球光束作为参考路,重复以上过程对靶室上半球的光束(原上半球基准路除外)进行时间同步测试,直至所有光束测试完毕并与靶室上半球基准路达到时间同步。

实验中光电管、示波器、信号电缆组成的信号探测系统可视为有限带宽的低通滤波器,为保证测量结果的准确性,信号探测系统的带宽应远大于FWHM为200 ps的高斯脉冲带宽,以避免高斯脉冲顶部变缓对脉冲顶点(测量特征点)判读的影响。高斯脉冲带宽与上升时间的关系为τ_pulse=0.35/D_BW,其中τ_pulse为脉冲上升时间,D_BW为高斯脉冲带宽。FWHM为200 ps的高斯脉冲的上升时间约为143 ps,模拟带宽D_BW约为2.45 GHz,结合常见光电管及示波器的带宽,当示波器带宽为8 GHz(上升时间τ_oscilloscope=45 ps)、光电管及信号电缆带宽(上升时间τ_diode=τ_cable=35 ps)为10 GHz时,测量得到的脉冲上升时间τ_r= τpluse2+τoscilloscope2+τdiode2+τacble2≈157 ps,信号探测系统产生的波形信号畸变较微弱,不影响脉冲波形顶点的判读(图2)^[10]。

图 2. FWHM为200 ps的高斯脉冲经过信号探测系统后的波形

Fig. 2. Waveform of 200 ps FWHM Gaussian pulse after detection system

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3 实验与分析

根据上述原理及方法开展了脉冲同步测试实验,激光装置输出FWHM为200 ps的高斯脉冲作为测试光源,实验所用德国Alphalas公司UPD-UVIR-35型光电管的上升时间τ_diode≤35 ps,有效接收口径Φ为6 mm;高速电缆模拟带宽≥10 GHz,实时数字示波器的最高采样率为40 GSa/s,模拟带宽为8 GHz。

测试时,首先使用时间分辨率为3.75 ps的采样示波器结合时域反射(TDR)模块通过TDR方法来标定两根传输电缆之间的传输时延差τ,标定时TDR模块通过向电缆首端注入高频脉冲信号,并记录电缆不同长度点处回波信号强度,以获得信号通路的阻抗以及阻抗随信号延时的变化,阻抗由50 Ω到无穷大的突变点标记为电缆末端^[11-12]。标定结果如图3所示,两根电缆之间的双程延时差2τ=2τ₂-2τ₁=71.406-79.966=-8.560 ns,其中τ₁和τ₂分别为信号电缆1(CH1)和信号电缆2(CH2)从首端到末端的单程传输延时差(高频电缆1连接CH1,高频电缆2连接CH2),两根电缆之间的单程延时差τ=-4.28 ns。

图 3. 电缆延时差的标定结果。(a)接入电缆前; (b)接入电缆后

Fig. 3. Calibration results of cable time-delay difference. (a) Without cable; (b) with two cables

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使用示波器的DeskView功能调节示波器,使CH1通道的时基比CH2通道超前4.28 ns,读出示波器上基准路脉冲与待测路脉冲之间的时间间隔,即两者到达靶点的时间同步差Δt,图4所示为基准路与待测路达到完全同步状态时示波器上观察到的同步差测量结果。

图 4. 同步差测量结果(Δt=0)

Fig. 4. Measurement results of synchronization difference (Δt=0)

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采用本文方法进行时间同步测试,测量不确定度的来源主要为电缆延迟标定误差δ₁、实时示波器示值误差δ₂、高斯脉冲顶点读数误差δ₃,以及光电管和定位基准处于非理想共轭状态所带来的测量误差δ₄(靶室中心监测仪为高倍率显微望远系统,靶点同步测量组件的定位偏差≤50 μm,不产生明显的同步测量误差)^[13]。

电缆延时差τ=τ₂-τ₁,可在标定时通过计算2τ₂与2τ₁的差值得到,2τ₂和2τ₁的测量误差取决于采样示波器的分辨率,当采样示波器的时间分辨率为3.75 ps时,τ的标定误差δ₁=±δ2τ22+δ2τ12/2=± (3.75/2)2+(3.75/2)2/2=±1.33 ps;实时示波器示值误差主要与采样间隔Δp及脉冲时间间隔有关,可以表示为δ₂=±[0.06×Δp+10^-6×Δt]^[14],实验中Δp=25 ps,Δt≈0,求得δ₂=±1.5 ps。高斯脉冲顶点读数误差主要是由于示波器的采样为有限采样,脉冲顶点无法准确采样造成的,实验中实时示波器采样率为40 GSa/s,脉冲顶点判读误差为12.5 ps,即t₂和t₁的测量误差δ₃₂=δ₃₁=±12.5 ps,计算得到δ₃=δ312+δ322=±17.67 ps;测试所用的同步测量组件中光电管与定位基准可能处于非理想共轭状态,如图5所示。以基准路为例,当光电管1的光敏面与理想共轭面的距离为l(l≤0.5 mm)时所产生的同步测量误差δ₄₁=±l1c=±l/cosαc=±l/sinβc,其中β的可能取值为25°、49.5°和55°,当β=25°、光速c取3×10⁸ m/s时,δ₄₁的最大值为±3.94 ps。同理,光电管2的光敏面与理想共轭面所产生的测量误差δ₄₂=±3.94 ps, 因此δ₄=δ412+δ422=±5.57 ps。以上4项误差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄互不相关,时间同步测量误差δ=±δ12+δ22+δ32+δ42=±18.86 ps。

图 5. 非理想共轭所导致的同步测量误差示意图

Fig. 5. Schematic of synchronization measurement error caused by non-ideal conjugation

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4 结论

提出了一种基于反射共轭原理的高功率激光装置脉冲同步测试方法,使用一对反射镜将靶点分别映射到距离靶点光程相同的两个共轭像点处,通过测量光束到达两个共轭像点处的时间偏差来获得脉冲到达靶点的时间同步差,有效解决了靶点处激光脉冲时空高度重合引起的脉冲混叠问题,实现了靶点处激光脉冲时间同步差的精确测量。该方法通过搭载平台实现测量组件的快速准确定位,无需工作人员进入靶室,具有操作简单、测试效率高等特点,已成功应用于高功率激光装置的多束激光时间同步测试及实时调节。