SID4-kHz 支撑千焦级激光相干合束研究
被动与主动相干合束架构
及 SID4-kHz 波前诊断
在高能激光系统中的应用
近年来，随着国家点火装置（NIF）实现能量增益（最高达4.13倍, 2025年4月，LLNL 数据），激光惯性约束聚变（ICF）研究迎来关键突破。为了实现更高效率、更高重复频率的千焦耳级激光系统，推动 ICF 向能源应用演进，研究界正积极探索新型驱动光源架构。详见相关文章《激光可控核聚变的现状及波前测量的应用场景》。近日发表于 Optics Express的研究论文中，由法国原子能与替代能源委员会（CEA）、高强度激光应用实验室（LULI，巴黎综合理工/索邦大学/CNRS 联合实验室）以及应用光学实验室（LOA，巴黎综合理工/ENSTA/CNRS 联合实验室）等多家法国研究机构与 Phasics 公司工程师合作开展的团队，系统评估并验证了一种结合被动与主动相干合束（Coherent Beam Combining, CBC）的高能激光方案的架构可行性。被动 CBC 通过共路或对称光路结构自然维持多束激光的相位一致，而主动 CBC 则利用实时相位测量与反馈控制主动锁定各光束相位，从而实现高稳定度、高效率的相干叠加。
在关键波前测量环节，该团队采用了 Phasics SID4-kHz 波前传感器，实现了微秒级波前演化监测，为合束控制策略提供了实验支撑。
被动 CBC 方案以无需快速反馈回路为特征，尤其适用于重复频率较低的大口径高能激光链。本文提出的实现方式基于嵌入Sagnac干涉仪结构的 Nd:glass增益模块，输入脉冲被分为两束正交偏振光，在双路径放大后重新相干合束。
该结构的优势在于：一方面分担了放大介质的光强负载，降低了非线性效应和损伤风险；另一方面，由于两束光共享光路但逆向传播，能有效抑制空间非均匀带来的相位误差，提升稳定性与重复性。
图1 :被动相干合束（CBC）架构示意图，(a)为单程放大，(b)为双程放大。图中蓝色和红色路径表示在 Sagnac 干涉仪内反向传播的两种偏振态。
实验实现中，研究团队在4cm光斑直径下输出能量达100 J，两束光间的相位偏差控制在1%以内，验证了该被动结构在高能量下的实用性。
尽管被动CBC在小规模放大器系统中表现良好，但扩展至千焦级能量输出，难以通过简单级联继续提升能量。此时，主动 CBC 架构显得更为灵活。它允许多个子光束经不同路径、不同放大器独立放大后再进行合束，从而提升整体扩展性。
然而，在低重复频率（10 Hz 级别）和大口径（数厘米以上）系统中，主动 CBC 面临显著挑战：必须对各子光束在放大过程中产生的瞬态波前变化进行高时间分辨诊断与相位控制。这就要求波前传感系统具备极高的帧率与响应速度。
为解决上述问题，合作团队在法国LULI-HERA激光平台上进行的双路放大器链实验，使用与主激光（1053 nm）略错频的 1064 nm 连续波光作为探针，与主光束共光路传播，实时记录放大过程中的波前畸变与相位差。
图2: HERA-LULI 激光平台中单次波前畸变测量实验示意图
实验使用功率为 300 mW、波长 1064 nm 的连续波激光作为探针光。激光链在中段分为两路子光束 A 与 B，分别经过一台45 mmNd:glass棒放大器和一台 108 mmNd:glass板放大器。每路光束经望远镜缩束至3.5 mm以便诊断测量。系统配备Phasics SID4-kHz 波前传感器，同时测量两路子光束的波前及其干涉图样，用于记录两束光的干涉条纹作对比分析。
波前测量核心设备正是 Phasics 的 SID4-kHz 波前传感器，采样速率为 61 kHz，曝光时间为 10 µs，波前相位分辨率为 576 × 184，可同时测量两路子光束波前与干涉条纹。
SID4-kHz 成功捕捉到闪光灯泵浦过程中由热梯度引起的快速波前扰动。如下图(图3)所示，波前在泵浦开始后迅速变化，主要为倾斜项，其它高阶像差如慧差、球差均在噪声范围以内。
图3: 为使用 1064 nm 连续波激光对两路子光束 A（上）与 B（下）在三次闪光泵浦事件中的波前分解结果。红色阴影表示闪光激发引起的荧光强度，垂直红虚线对应放大脉冲（1053 nm）到达的时间点，即荧光峰值。所有波前数据均以闪光开始前为参考。图中绘制了间隔约 20 分钟的三组实验结果，曲线颜色相同表示属于同一次测试。
通过干涉条纹的快速采样，研究人员提取了两束光之间的活塞相位变化，进而计算出相位反馈所需的控制带宽。在100微秒内出现 λ/2 的相位差，需要100 kHz 反馈速率来维持 λ/20 精度，才能实现99%以上的相干合束效率。
图4: 数据处理与活塞分析。
左 1 显示了四波干涉仪的原始结果；经过光谱滤波和裁剪后，处理后的图像如左 2 所示。随后选取若干像素行进行平均，并逐帧堆叠形成左 3，其中横轴表示时间，纵轴表示空间（沿某一轴的干涉条纹分布）。
PHASICS
千焦耳高重复频激光系统
如何设计？
结合实验结果，合作团队提出一套可行的千焦级激光链架构。该架构采用 MOPA 主振荡-放大器设计，前级使用被动 CBC 模块进行初级放大至100 J，后级通过主动 CBC 将11到16路子光束合束至1 kJ 输出，整体系统支持10 Hz 重复频率。
SID4 波前传感器在架构中承担双重任务：慢反馈回路用于长期热漂移补偿，快反馈回路用于单次脉冲泵浦引起的快速波前畸变修正。
图5:基于被动与主动相干合束（CBC）的一千焦、10 Hz 激光器概念设计。
图中红线表示放大脉冲的光路，青色线表示连续波（CW）探针的光路。其中上方的一条光路可视为主参考光路（master beam line），其余从属光路（slave sub-beam lines）通过两级反馈回路锁定到主光路上：紫色为慢反馈环路，绿色为快反馈环路。
此次合作研究不仅提出了面向 ICF 的可行架构思路，更首次在慢泵浦高能激光链中实现了对单次激发过程波前扰动的微秒级实时观测与定量分析。
在这项由法国多家国家级研究机构主导的实验中，Phasics 团队作为核心合作方，提供了 SID4-kHz 高时间分辨波前测量系统与技术支持，协助完成了波前诊断模块的搭建与数据回收。
借助 SID4-kHz 的高帧率和高动态范围，研究人员成功捕捉到闪光泵浦阶段关键时刻的活塞项与低阶像差演化，为主动相干合束的高精度控制提供了重要实验依据。结果显示，Phasics 波前传感技术在复杂高能激光环境中依然能够保持稳定与精确，为后续大口径激光系统的波前控制研究提供了可靠工具。
这项合作研究不仅体现了国际一线高能激光团队与 Phasics 工程师的深度协作，也进一步验证了 SID4 系列波前传感器在极端实验条件下的技术权威性与系统可靠性。Phasics 团队也将继续以开放协作的姿态，深度服务于包括惯性约束聚变、拍瓦级激光、自由电子激光与高功率工业平台在内的国际先进光源建设。
欢迎关注 Phasics 官方公众号，获取更多高能激光、相干合束与波前测量的前沿研究资讯。点击“阅读原文”查看原论文。
Reference:
Pierre Lebegue et al., Coherent beam combining strategies for high-energy and high-repetition rate lasers dedicated to inertial nuclear fusion applications,Vol. 33, Issue 22, pp. 45615-45630 (2025)
https://doi.org/10.1364/OE.574715
