精密高效的脉冲波形调控是大型激光装置满足惯性约束聚变实验需求的重要技术之一。脉冲波形生成原理是通过编辑任意波形发生器中每个子脉冲的电压值，经电光调制器转换为光脉冲强度形成任意形状的激光脉冲轮廓。在电光转换过程中，各子束响应过程并非线性且子束间存在个性差异。为实现此条件下精密高效的脉冲波形调控，制定并开发了基于闭环迭代思路的激光脉冲波形快速调控方法。实验结果表明，算法可在10 min内实现任意脉冲波形整形，并具备23∶1高对比度脉冲波形调控能力，调控精度均优于10% (rms)，满足常规物理实验运行条件下对激光参数调控的精度和效率需求。

 高功率激光装置；脉冲整形；迭代算法

惯性约束聚变（ICF）采用激光装置产生的高能量激光脉冲作用于物质。不同实验的激光脉冲形状需求不同，且束间激光脉冲的一致性对精密物理实验成败至关重要。国外高功率激光装置，如美国国家点火装置（NIF）和法国兆焦耳激光装置（LMJ），均是由前端产生激光脉冲并进行时间轮廓整形，然后由预放大器和主放大器进行能量放大和空间扩束，最后经终端系统频率转换为三倍频光。为了实现所需的三倍频光时间脉冲轮廓，需要执行两步流程。首先，采用逆算模型从目标三倍频脉冲反演计算出预放段重频目标波形，然后在重频波形测量点与前端任意波形发生器之间进行闭环迭代。NIF采用的闭环方式是在波形幅度调制系统中用任意波形发生器对45 ns方波进行雕刻，并在迭代过程中引入了一个基于电压调整量变化的调整因子来应对非线性响应带来的问题。当波形闭环连续6次迭代的标准偏差优于设定阈值时，则满足收敛要求停止闭环。NIF子脉冲为300 ps的高斯电脉冲，为获得小于100 ps的上升沿，引入了方波调制器对激光脉冲边缘进行裁剪。此外，NIF子束间具有良好的一致性。通过开发软件、集成算法和策略，NIF实现了1 h自动闭环48个脉冲波形的能力。

其他在建或建成的大型激光装置同样迫切地面临精密波形调控能力的建设以满足物理实验需求。由于各个装置的个性差异，NIF装置的方式并不完全适用于其他装置。对于我国ICF激光装置来说，每个子束独立可调且具有明显增益差异。此外，任意波形发生器的子脉冲是100 ps的高斯电脉冲，能天然地产生更陡峭的上升沿和下降沿。针对我国装置的特性，需专门定制算法和策略，开发脉冲波形闭环软件。

本文介绍了我国ICF激光装置脉冲波形调控技术。在子束差异显著且电脉冲幅度转变为光脉冲幅度过程是非线性响应过程的场景下，通过开发算法、制定策略和软件，实现了适用于所有子束的高效率、高精度脉冲波形闭环调控能力。

Part.01

脉冲波形整形原理

脉冲波形整形过程是通过任意波形发生器产生许多脉宽为100 ps的单元电脉冲，电脉冲作用到电光调制器对光脉冲强度进行调节。当堆积不同数量、不同电压值的单元电脉冲时，即可产生不同形状的光脉冲。图1展示了电脉冲堆积与光脉冲输出的示意图。整形后的光脉冲再继续传输和放大。

图1  脉冲堆积实现波形轮廓整形

由于器件、预放重频增益的差异，各路所表现出来的响应曲线并不相同。测试发现，即使在同一路中，不同数量的电脉冲堆积所产生的电光幅度响应也不同，如图2所示。也就是说，电脉冲相互间存在着级联效应，即对邻近的幅度响应产生贡献。但其响应过程仍存在着非线性响应的共性特征，在低电压区响应迟钝，在高电压区出现饱和效应。基于以上特性，很难用一个简单的响应函数来描述复杂的脉冲轮廓整形，因此，我们仍然采用基于闭环迭代的策略进行脉冲波形整形。

图2  不同数量子脉冲堆积的电光响应曲线

图3是实现脉冲波形闭环整形的流程设计。首先，由任意波形发生器产生初始电脉冲序列，作用于电光调制器后生成初始光脉冲形状；初始脉冲经传输放大后在测量点由示波器捕获脉冲形状；之后由闭环软件计算目标波形和实测脉冲波形的差异；若此差异满足偏差要求，则输出该电压波形，若不满足，则根据差异完成电压调整，调整后的电压值再次加载到任意波形发生器上，直至实测脉冲波形满足要求。迭代流程中电压波形加载和计算时长通常在5 s内，脉冲波形采集时间通常可以控制在20s内，则单轮流程可控制在30 s内，按最多迭代次数20轮计，通常10 min内可完成一个脉冲波形调控。

图3  脉冲波形闭环流程

闭环流程的核心是迭代算法，其基本思路是补偿偏差。假设电脉冲作用于电光调制器的过程是线性的，则在一个脉冲波形序列的第i个位置处应加载的电压

V_i=V_maxG_i

式中：G_i是归一化目标波形位于第i个取样点处幅值；V_max是任意波形发生器上最大可用电压；V_i是该位置点处应加载的电压。实际上，电光响应过程是非线性的，再加上邻近子脉冲的级联响应，其过程更为复杂。因此，测量波形与目标波形之间会存在响应的偏差，根据此偏差进行电压修正

ΔV_i=k(Gi−Mi)V_maxGi

式中：M_i是归一化实测波形位于第i个取样点处幅值；k是引入的一个调整因子，用来提升迭代效率和精度。随着迭代结果逐渐逼近目标，调整因子的值也是动态调整的。依据大量调整经验和效果获得了图4中黑线所示的阶梯调整因子，其大多数时候使脉冲波形闭环迭代具有很好的收敛性，但当实测脉冲波形与目标波形偏差处于阶梯处时，收敛出现震荡。为此参考了图2的响应曲线，考虑将响应曲线的趋势结合到阶梯调整因子中，获得了图4中红线所示的优化后调整因子。且偏差量超过设定的图示范围时，调整因子直接取最大值。

图4  调整因子随偏差量的取值变化

当计算测量波形与目标波形的偏差量时，测量波形与目标波形之间必须实现一致的时序对齐，否则将导致下一轮偏差计算错位，进而打乱整个闭环流程。通常的波形对齐方式采用上升沿对齐、下降沿对齐或质心对齐。当脉冲波形没有陡峭的上升沿或者下降沿时，上升下降沿对齐是无效的。而质心对齐对正在调整的、时间积分面积不断变化的波形来说也不适用。本闭环流程中采用添加一个时间基准脉冲的方式，如图5所示，在任意波形发生器上与整形脉冲下降沿间隔1 ns的位置增加一个电脉冲，利用该电脉冲形成的高斯光脉冲的峰值确定整形脉冲波形时间窗口，实现与目标波形稳定的时序对齐。当闭环流程完成后存储电压波形时，去掉基准脉冲。         

图5  利用基准时序脉冲对齐测量脉冲与目标波形

不同电缆在传输电信号过程中，响应性能不同，导致信号上升沿坍塌，在电光转换形成光脉冲轮廓时，光脉冲轮廓上升沿出现相应的坍塌，如图6所示。在闭环逼近目标波形的过程中，上升沿需进行过量校正。在此过程中，由于电脉冲序列首点左侧不存在其他电脉冲的级联耦合作用，首个电脉冲将会过度修正而使上升沿形成尖峰。

图6  电信号经不同电缆传输后产生不同光脉冲响应

为了避免首个电脉冲过度修正，必须对其进行电压值干预。通过多次测试和优化，每一次迭代计算后，首个电脉冲的电压设置如下

V₁=V₂

式中：V₁和V₂分别是第一、第二个子脉冲电压。

受限于光纤传输和空间光传输的各种效应，如幅频效应，测量条件和算法整形能力、整形输出脉冲波形与目标不可能完全一致，且脉冲波形迭代收敛到一定程度后出现震荡。脉冲波形收敛程度以测量波形与目标波形之间偏差的均方根（式（4））来表征，其值越小，收敛度越好。此外，由于上升下降沿在测量上的响应度不足，连续脉冲波形的第一个点和最后一个点以及整形脉冲波形的台阶处不计入均方根计算。目前采用的策略为设置固定的闭环次数，到达设定次数闭环即停止。每次迭代计算的电压值、均方根（rms）值均暂时存储，待闭环结束后，从中自动挑出rms值最小的电压值作为最终闭环输出。

Part.02

实　验

根据以上算法和策略，我们在装置上开展了大量测试，并开发了软件平台，形成应用。在图3所示的闭环流程中，任意波形发生器的可调电压范围为0～0.35 V, 电信号子脉冲脉宽100 ps，激光波长1053 nm，整形、放大后的重频脉冲采用光电探头和示波器测量。光电探头的波长响应范围为300～1100 nm，响应时间为60 ps，示波器采样率为8 GHz。闭环控制系统执行时，计算示波器测得的波形与目标波形偏差，通过式（2）修正后重新加载电压至任意波形发生器。闭环系统将重复此流程直至设定的闭环次数结束。图7是在装置三条不同子束中开展的不同形状的脉冲波形闭环，分别是指数波、整形波形和23∶1高对比度脉冲。每个脉冲波形设定了20次闭环，耗时约8 min，闭环结束后自动从中输出最优闭环结果。三种脉冲波形的最优闭环结果分别出现在第5次用时2 min、第20次用时8 min和第16次用时6 min，其rms值分别是2.98%、5.11%和8.29%。其中，指数波和整形波形是通过目标波形直接生成初始输入电压，测量噪声和幅频调制没有进行精密控制；而为了保障23∶1高对比度脉冲波形的闭环精度和效率，初始输入电压采用历史类似脉冲波形的电压加载、测量噪声和幅频调制均控制到最低后才进入闭环流程。

图7  三种脉冲波形的闭环结果

从闭环结果来看，图7（a）和图7（b）都存在指数波形状部分，由于幅频调制的影响，图7（a）指数波部分偏差大于图7（b），图7（b）和图7（c）都存在脚平台部分，且图7（c）的脚平台更低，但由于对图7（c）的脉冲测量信噪比进行了优化，其脚平台偏差远远小于图7（b）。通常，为了获得脉冲波形整体rms优于10%的整形精度，10∶1左右的普通脉冲信噪比应控制在15∶1以上，幅频调制对比度需控制在0.1以下，20∶1以上高对比度脉冲波形应将信噪比控制到40∶1以上并消除调制。而调控效率会受到调控灵敏度影响，在图2所示的低电压和饱和电压区，调控能力迟钝。因此整形波形闭环次数多于简单脉冲波形，越高对比度的脉冲波形需要的闭环次数则更多。为了减少迭代次数，可以优化初始加载电压，如使用历史类似脉冲波形电压、抬升低平台电压、建立机器学习等方式。图7（c）的初始电压使用了历史类似脉冲波形的电压，大大减少了后续迭代次数。调控效率同时也受硬件、软件及使用策略的约束，如示波器采集时间、软件是否支持多子束并行等。软件和使用策略应基于操作可靠性和便捷性进行开发和制定，以实现高效脉冲波形整形。

Part.03

结　论

基于ICF物理实验对激光参数多样性和复杂性的需求，以及装置各子路存在个性差异且独立可调的特点，本文中，开发了具有适应子束差异的波形迭代算法，可在10 min内实现10∶1对比度左右的任意波形整形，并具备23∶1高对比度波形调控能力，调控精度均优于10% (rms)。但对于更高对比度脉冲波形整形，需提升波形质量和测量条件，优化算法。通过流程和软件控制，算法可满足多子束并行的自动波形调控。

蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点，正带来前所未有的生产力。

体布拉格光栅作为紧凑的色散器件，可用于啁啾脉冲放大激光系统中实现脉冲展宽或压缩的功能，尤其是大色散量的体布拉格光栅能够将啁啾脉冲展宽到数百皮秒（或将数百皮秒啁啾脉冲压缩至飞秒），支持了大能量超短脉冲激光系统的运行。

体布拉格光栅脉冲展宽器（或压缩器）结构紧凑、组装便捷、调试简单，是紧凑型飞秒激光系统的最佳色散补偿器件之一，因而奥创光子致力于将其制作和应用技术提升到关键战略元器件的高度，体布拉格光栅的制备工艺及相关制备、检测设备也是奥创光子布局的外围关键器材。

体光栅基质热光玻璃（PTR玻璃）的光学特性决定了其对波长325nm的紫外光最为敏感，因而325nm波长紫外激光器是紫外曝光刻写体光栅的有效光源；传统制作体光栅的紫外光源采用波长匹配的氦镉激光器，这种气体激光器使用寿命较固体激光器短，且日常维护复杂。从制作设备的稳定性、可靠性角度出发，奥创光子采用固体激光方案研发了波长接近热光玻璃吸收峰的330nm固体紫外激光器，即将开展基于此激光器的热光玻璃内部光栅刻写实验。除此应用之外，波长330nm紫外激光器也是能够在纳离子导星应用中有效产生单光子激发的光源。

奥创光子固体激光实验室开发的330nm波长紫外激光基于Nd:YAG激光晶体的1319nm红外激光辐射形成的基频激光。该波长基频光经过二倍频、四倍频过程，可输出四倍频的330nm紫外激光。

图1.330nm紫外激光器实验装置示意图

这种全固态紫外激光器的实验装置如图1。激光器基本结构为侧面泵浦的直线谐振腔，内置声光调制器作为Q开关实现1319nm激光的调Q脉冲输出，便于提升倍频效率。端镜M1、M2构成激光谐振腔，其中M1是曲面曲率半径500mm的平凸镜，凸面作为谐振腔反射腔镜，镀膜1319nm反射率>99.5%，900~1100nm波段反射率<0.5%；M2是曲面曲率半径500mm的平凸镜，凸面作为谐振腔反射腔镜，镀膜 900~1100nm波段反射率<0.5%，1319nm反射率~90%，成为1319nm激光谐振腔的输出腔镜。

设计这种双凸谐振腔的出发点在于提升腔内振荡模体积，同时这种非稳腔可以支持较好的输出横模模式，实现基模激光振荡。泵浦源采用2个808nm侧泵Nd:YAG模块，每个模块激光棒侧面有3个808nm半导体激光器阵列，每一个阵列有四个20W功率的808nm的半导体激光器，构成了总泵浦光功率480W的侧泵系统。侧泵Nd:YAG模块中的Nd:YAG激光棒尺寸φ 3 mm × 80 mm，钕离子掺杂原子百分比0.6%，激光晶体两端镀覆盖1064nm及1319nm的AR膜（R<0.2%），杜绝自激振荡；两个激光模块之间装有旋光90°的石英片，目的是补偿热效应引起激光晶体的双折射效应。

调Q元件采用1.3um波段声光开关。M3是镀金的衍射光栅，衍射效率>85%，具有高刻线密度，能够将发射谱接近的两个波长1319nm、1338nm的光线以一定的角度朝不同方向衍射，起到了选波长的作用；同时衍射光栅的偏振特性也可以作为谐振腔内的起偏器件，使激光谐振输出线偏振光。将调Q重复频率设置为与泵浦源的脉冲泵浦频率一致，在1KHz重复频率时1319nm激光输出功率随侧泵模块泵浦电流变化如图2，输出激光的光束质量测量如图3，可见M2值在最大输出功率下能够保持在~1.60，维持了基横模输出，为后续的激光谐波转换提供了较好的光强空间分布。

图2.在1319nm激光输出功率随侧泵模块泵浦电流变化图

图3.波长1319nm输出激光的光束质量测量

倍频系统包括了二倍频光路和四倍频光路。期中二倍频的基频光聚焦透镜f1焦距300mm，LBO1是4╳4╳45mm3LBO倍频晶体，采用II 类非临界相位匹配(θ = 1.9°, ϕ = 0°)，相位匹配温度42℃。f1汇聚光束腰斑在LBO1晶体中间位置，晶体两端面镀1319nm和660nm的AR膜（R<0.2%）。

45°放置的M4平面反射镜镀膜1319nm HR(R>99%)，用于将基频光导入倍频光路；平面双色膜反射镜M5和M6镀以45℃入射1319nm HT(T>98%)和660nm HR（R>99%），可以滤除二倍频过程残余的红外基频光，保持仅有660nm红光进入四倍频光路。λ/2是660nm的1/2波片，用于调整四倍频之前的光场偏振方向；f2和f3构成望远镜系统，使660nm激光束光斑减小为原来光斑的1/2（半径~350um）；这样经过整形的光束入射到对660nm激光进行二倍频的LBO晶体（4╳4╳30mm3）LBO2上，采用Ⅰ类相位匹配(θ = 90°, ϕ = 49.7°)实现四倍频的谐波转换。

图4.330nm紫外激光功率随着1319nm基频光功率变化动力学曲线

   使用石英楔形镜wedge对穿过LBO2的红光/紫外混杂光束进行折射，以分开两束光的传播方向，实现分光的目的。激光功率计监测紫外光的平均功率，旋转λ/2，使330nm四倍频激光输出功率最高。图4是330nm紫外激光功率随着1319nm基频光功率变化动力学曲线。图5、图6分别是330nm脉宽及远场光斑的测量图、330nm紫外激光功率0.65W，能够满足光刻等精密干涉曝光应用的需求。

图5. 紫外激光脉冲时序特性测量

图6. 紫外激光光斑图样（可见光相机拍摄）

   奥创光子自2018年创立以来，公司已申请100余项专利，已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术，结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光   纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品，并在国内率先实现工业领域批量出货，打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空，新能源锂电，电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身，不断为先进制造产业转型升级夯实基础，促进发展。

今日（8月14日），南京波长光电科技股份有限公司（以下简称“波长光电”）登陆创业板正式开始网上申购，申购代码为301421。本次波长光电拟公开发行2893万股，网上发行量为824.5万股，发行价格为29.38元/股，发行市盈率60.67倍。申购上限为8000股，中签公布日为8月16日。波长光电保荐人、主承销商为华泰联合证券。

据了解，此次波长光电拟募资3.2亿元，资金主要用于投资“激光光学产品生产项目”、“红外热成像光学产品生产项目”和“波长光学研究院建设项目”等项目。      

临工重机入选2023胡润全球独角兽榜，交付全国首批100台大吨位混动无人驾驶矿车；吉利智慧新能源整车项目月产破万辆，首批新车型“曹操60”实现量产；小鸭精工全新一代激光熔覆淬火机新品发布，开创国内激光熔覆技术在表面修复、淬火处理等领域应用的先河……产业是发展的第一支撑，产业高度决定了城市高度。济南高新区智能装备产业聚焦“矩阵发展”，厚植高质量发展新动能，不断取得新突破。

目前，济南高新区已形成以激光装备、智能交通装备为引领，机器人、智能电网装备与新能源装备突破发展的产业格局。在激光装备领域，济南高新区集聚了邦德激光、金威刻激光、森峰科技等企业，从上游的激光晶体材料、中游的激光器，再到下游的激光整机装备，构建了较为完整的激光产业链，以激光切割为主的激光装备出口规模全国第一；在智能交通装备领域，高新区集聚了中国重汽、临工重机、吉利汽车等一批高端制造企业；在机器人领域，济南高新区涌现出国网智能、翼菲自动化、奥太电气等重点企业，比亚迪、宁德时代、东阿阿胶等行业龙头的生产线背后，都有翼菲自动化的身影；在智能电网装备领域，山东输变电是世界上单厂产能最大的变压器及电抗器生产制造基地；在新能源装备领域，济南高新区拥有弗迪电池、中车风电、中电装备、美核电气等重点企业。

重点项目是产业高质量发展的硬核支撑。今年5月31日，斯凯孚济南生产基地二期项目投产，不仅增加了服务商用车市场的二代免维护轮毂单元产线，还新增了自调心球面滚子轴承生产线，将济南基地的服务能力扩展至更广阔的工业市场，助力斯凯孚立足本土，更好地为全球客户提供支持与服务；6月28日，金威刻激光智能生产基地项目正式投产，标志着金威刻激光形成了超20万平方米的产研基地，具备年产超2万台的能力……除此之外，今年上半年，山东电工配网智能制造基地、济钢防务卫星总装测试基地一期等多个优质项目签约落地济南高新区。

产业发展离不开科技和人才支撑。济南高新区支持搭建了山东省工程机械创新中心，助力完成了临工重机专用电池动力系统的科研攻关；今年上半年，邦德激光、金威刻激光相继发布6万瓦激光切割机，为钢结构、船舶、钣金加工等行业的转型升级、提产增效带来保障。近日，济南市智能制造与高端装备产教联合体成立。该联合体由济南高新区管委会、济南职业学院和临工重机牵头，汇聚高校和科研院所等多方力量的市域产教联合体。联合体成立后，将集聚资金、人才、技术、政策等要素，协同推进人才培养、职业能力提升、技术研发服务、成果转移转化、创新创业孵化。