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超强激光科学卓越创新简报

(第八百零一期)

2026年7月21日

上海光机所在惯性约束聚变高功率激光驱动器的幅频调制监测方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室范薇研究员团队针对惯性约束聚变（ICF）高功率激光驱动器中幅频调制（FM-to-AM）的监测难题开展了研究。相关成果以“Frequency modulation-to-amplitude modulation monitoring in inertial confinement fusion high-power laser systems using dual-comparator delay-unlocked detection”为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。

在ICF高功率激光驱动器中，通常利用相位调制来展宽光谱，以抑制横向受激布里渊散射并实现更平滑的靶面光强分布。然而，由于光学元件的非均匀光谱透过率和群速度色散，宽带激光在传输时会发生FM-to-AM转换，导致时间域出现周期性的强度波动和局部尖峰。这种现象极易损坏大口径光学元件，并威胁驱动器的长期运行稳定性。当前主流的监测技术高度依赖昂贵的高速示波器以及复杂的波长转换流程，不仅极大地增加了系统成本，也限制了其在大型激光设施中进行多通道、大规模部署的可行性。

图1：延迟解锁调制度提取器(DUME)模块结构图：a) 检测模块结构示意图；b) 延迟解锁检测原理

鉴于此，研究人员提出了一种无需高速示波器的低成本、模块化FM-to-AM检测新架构——延迟解锁调制提取器(DUME)。该系统利用高速光电探测器、低噪声放大器和包络检波器将调制深度映射为电压信号，并通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)控制的双比较器实施延迟解锁策略。该策略引入约1.3纳秒的硬件延迟，主动屏蔽纳秒激光快速上升沿和下降沿引起的瞬态尖峰干扰，确保仅在稳定区域提取幅值，并自适应动态调整阈值。实验结果表明，在20GHz调制频率和小于60ps脉冲上升时间的条件下，该模块能够可靠地测量1.27%至19.15%的调制深度。面对指数型、带预脉冲等多种复杂脉冲波形，该系统均能准确恢复真实的调制深度，其中方波脉冲测量的峰谷偏差仅为2.94%，均方根误差为0.48%，完全满足ICF系统高精度的监测需求。该紧凑型、模块化设计有效摆脱了传统高频信号连续采样对高速示波器的依赖，不仅大幅降低了单点监测成本，还具备优异的频率扩展灵活性。这一技术为多光束ICF激光驱动器提供了极具潜力的幅频调制监测解决方案。

图2：DUME模块与高速示波器同时测量调制度对比

相关研究得到中国科学院战略重点研究项目支持。

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