高功率激光装置中的靶定位与束靶耦合技术

林炜恒 任磊 朱健强

原文链接|林炜恒,朱健强,任磊. 高功率激光装置中的靶定位及束靶耦合技术研究进展[J]. 中国激光, 2020, 47(4): 0400001

在激光惯性约束聚变实验中，为了保证对称地压缩靶丸，对靶的位置、激光的打靶点有着苛刻的精度要求。以美国国家点火装置为例，它可以满足在10 m的靶室内以6.8 μm的精度定位靶，同时可以在7.7 m的焦距实现192路激光的48 μm光束指向精度，相当于在7 km外击中1枚乒乓球。

实现以上实验要求的过程可以称为靶定位与束靶耦合。

靶定位与束靶耦合的精度直接关系物理实验的质量，甚至关系到激光聚变实验的成功与否。

基本过程

靶定位与束靶耦合可视为观测系统与执行机构共同作用的过程，如图1、2所示。

由于靶与靶室的相对位置无法直接获得，需要引入一组观测系统，通过观测系统观测靶的相对靶室的位姿信息，然后通过执行机构（靶架）调整靶的位置，以实现靶定位。

类似的，通过引入特殊设计的观测系统，对激光光束与靶的相对位置进行观测，然后通过相应的执行机构（聚焦透镜和导光反射镜）调整激光的焦距与指向，以实现束靶耦合。

图1 靶定位示意图

图2 靶耦合示意图

发展过程

上世纪七八十年代是高功率激光装置发展的初期，以美国为首的各国都开始了惯性约束核聚变等高功率激光实验的研究。

SHIVA装置

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的SHIVA装置为上个世纪七十年代建成的第一代激光惯性约束聚变（ICF）装置。

SHIVA装置拥有20束光束进行直接驱动实验，靶室半径小于1m，光束输出组件的焦距为1200 mm，如图3所示。SHIVA装置的靶定位/束靶耦合方案可归纳为：1）使用一对安装在靶室壁上的成像系统观测靶的位姿；2）通过引导光束至模拟靶上，然后光束反射回位敏光斑监测系统中实现束靶耦合的监测。靶定位与束靶耦合精度分别为10 μm与50 μm。

图3 SHIVA束靶耦合光斑检测系统简图

NOVA装置

1984年， NOVA装置将原先SHIVA装置的束靶耦合技术方案进行改进，是SHIVA装置的升级版本。

因为位置敏感传感器对光斑形状的敏感程度低，作为替代，NOVA装置引入了一个新方案：使用CCD阵列组成的模拟靶对光斑形位进行记录，进而调节束靶预耦合的状态。这种方案一定程度上提升了束靶耦合的精度。

OMEGA装置

时间来到九十年代。

1995年，新一代直接驱动点火的ICF装置——OMEGA建成，时至今日仍然服役于各种物理实验中，如图4所示。

OMEGA装置拥有60束激光，靶室半径为1.65 m，光束的输出组件的焦距为1800 mm。与SHIVA/NOVA类似，靶定位方案采用了一对安装于靶室内壁上的正交的成像系统进行观测，可以实现20 μm的靶定位精度。束靶耦合方案采用了与SHIVA类似的方案，校准光束从校准系统中发出至模拟靶表面，然后反射回诊断/校准系统采集光斑信息。

图4 OMEGA束靶耦合光斑检测系统简图

Astra-Gemini装置

位于英国中央激光研究所的Astra-Gemini装置，使用了干涉仪进行平面靶的定位，其理论精度能达到亚微米级，但是其工作量程范围较小，需要与其他定位方案相结合，以达到辅助精定位的作用。这种定位方案的作用对象一般为易于处理干涉条纹的平面靶，在适用靶型上有所限制。

随着新世纪的到来，各国的高功率激光装置也在不断进化，逐渐朝着更多路数、更高功率的方向演变。

为了适配不断发展的需求，靶的形状、点火方式都在不断更迭，靶室尺寸也在不断扩张，这就对已有的靶定位、束靶耦合方案提出了挑战。

NIF装置

2009年落成的NIF装置是现阶段最为先进的ICF装置之一，它拥有192束激光，以进行包括间接驱动点火实验在内的多种物理实验，靶室半径为5 m，终端光学组件的焦距为7700 mm。

由于靶室半径增大到5 m，使用类似于SHIVA/NOVA/OMEGA的靶室壁上的成像系统进行靶定位，观测精度会因远距离成像分辨率不足而降低，因此NIF采用了将成像系统(TAS)移至靶室内进行观测的方法进行靶定位。

同时，通过TAS内部的共轭光路设计，可以在不使用模拟靶的情况下，对入射模拟光与靶的空间位置相对关系进行观测，以进行束靶耦合。使用这种将观测系统移至靶室内部的方案，可以在靶室尺寸较大的情况下实现6.8 μm的靶定位精度与48 μm的束靶耦合精度。同时，由于是并行的校准方案，其校准流程十分高效，能够在30 min的时间内校准192路激光，如图5所示。

图5 TAS简图与实物图

LMJ装置

为了解决因靶室尺寸过大导致的分辨率下降问题，法国于2010年建成的LMJ装置采用了与美国NIF装置完全不同的设计思路。

LMJ作为世界上最大的高功率激光装置之一，装置拥有176束高功率激光，以及与NIF类似的相当大的靶室，如图6所示。LMJ通过一系列的设计，提高了远距离成像系统的精度，主要措施包括：1）特别设计了观测系统的光路结构；2）在观测系统内自行设计了坐标系；3）多对、多角度观测系统共同定位；4）在靶附近设计了4个定位基准。

LMJ装置采用束靶耦合方案。束靶耦合方案引入了一个通用参考系统，通过向各个激光光路的终端光学组件中发射模拟光束，然后反射回它内部的CCD中以获得束靶耦合的校准信息，进而对各终端光学组件进行调整。通过以上的方案， LMJ装置可以实现10 μm的靶定位精度与48 μm的束靶耦合精度。

图6 LMJ一体化模拟靶：通用参考系统

SG-II-U装置

于此同时，国内的高功率激光装置也随着点火方式的不断提出，采用了更新更有效的靶定位、束靶耦合方案。

2008年，上海光学精密机械研究所建成了SG-II-U装置，不仅能够满足间接驱动点火的需求，更是在引入了第九路皮秒光束后，能够实现快点火的实验要求。

为了适应新式的点火方案，靶定位与束靶耦合系统进行了重新设计，以满足皮秒激光的瞄准精度。靶定位方案上，通过第九路辅助瞄准系统，对位于靶上的与皮秒激光发生反应的锥孔进行定位。通过辅助瞄准系统观测模拟光与锥孔的相对位置，进行束靶耦合的调整。通过以上方案，实现了8 μm的靶定位精度与20.6 μm的束靶耦合精度，如图7所示。

图7 SG-II-U系统上的第九路辅助瞄准系统

NIF-ARC装置

新时代的靶定位及束靶耦合技术方案将越来越模块化，也越来越具普适性。以美国NIF-ARC装置为例，如图8所示。

2016年末，NIF在靶室内引入了多组靶&诊断装置操作器(TanDM)，并于2017年夏引入了一套由三个激光跟踪仪(其中一个安装在靶室法兰口上)组成的先进激光校准系统(ATLAS)。

结合TanDM与ATLAS的使用以实现NIF-ARC的靶定位：使用TanDM抓取靶，通过ATLAS追踪位于TanDM上的反射件，以观测、反演出靶的位姿。这种模块化的靶定位设计，大大降低了靶形状变化对靶定位精度的影响。

图8 NIF-ARC靶室上的先进激光校准系统（左）及靶&诊断装置操作器上的反射件（右）

前景与挑战

进入二十一世纪第二个十年以来，人类在惯性约束核聚变方面的发展也越来越迅速。随着新的内爆模型、新的点火理论的提出，各国的高功率激光装置也在不断寻求进化与突破，以适应不断变化、愈发严苛的实验条件。

1）为了适应已有的点火方式，同时能够满足新式点火方式的各个实验需求，靶定位、束靶耦合的方案设计需要有一定的向上兼容性。靶定位束靶耦合方案不仅需要满足现有的点火驱动方式的实验需求，还要有一定的设计裕量，以满足将来可能提出的点火驱动方式的相应需求。

2）靶定位、束靶耦合系统应具有相当高的模块化、自动化程度。

以美国的NIF-ARC装置的靶定位方案为代表，这种方案相较之于使用成像观测系统来观测靶的位姿的方案而言，其自动化与模块化程度都有着显著的提升，一方面可以大大减小因人工识别定位引起的随机误差，另一方面可以使整个靶定位、束靶耦合流程轻量化，提高效率。靶定位、束靶耦合方案的模块化设计还能一定程度上运用至诊断设备的瞄准上，提升靶室系统整体的一致性，提升维护、安装的便利性，减小非同源误差。

3）应当在已有的技术方案中寻求突破与出路，从传统的靶定位、束靶耦合(图像识别、视觉定位等)方案中脱离出来，通过结合不同领域的工艺技术（激光定位法、单目视觉定位法、结构光轮廓拟合法等），因地制宜，对不同的物理实验环境采用相应的靶定位、束靶耦合方案，提升定位方案的利用率。

提升高功率激光装置中的靶定位、束靶耦合技术的精度、自动化程度、向上兼容性等，不仅能够提升自身领域内的技术方案竞争力，为各型各色点火驱动方案、各型各色理论物理实验提供应有的硬件支持，更是衡量各国高功率激光装置设计水平之间的一个不可或缺的重要指标。

总而言之，高功率激光装置中的靶定位、束靶耦合技术不仅为各型各色的物理实验的开展提供了强有力的硬件保障，更是惯性约束核聚变实验不可或缺的基石。

实验室介绍

高功率激光物理联合实验室是中国科学院和中国工程物理研究院合办的、跨部门的科学技术研究实体，是我国ICF研究的发源地和核心单位之一。40余年来先后研制了神光I、神光II系列大型激光装置，为我国开展ICF研究提供了核心实验平台，在国际上享有重要影响力。目前，投入高效稳定运行的是神光II综合激光装置，其中包含神光II（8束双程放大纳秒系统）、神光II升级（8束四程放大纳秒系统）、高能皮秒拍瓦激光系统（1束）和高能飞秒拍瓦激光系统（1束）等长短激光脉冲系统，可单独或者相互组合打靶，为开展多种类型的精密物理实验提供了主被动打靶与诊断的多功能手段。神光II综合激光装置不仅能够实现基频、倍频和三倍频光打靶，而且覆盖了从fs级、ps级到ns级等多档位脉冲，具备了打靶、背光照相诊断、快点火等多项功能，为物理研究提供了丰富多样的研究和诊断模式，是目前国内唯一的多脉宽、多波段的多功能激光综合实验平台。