摘要　在惯性约束聚变（ＩＣＦ）精确打靶中，对激光束变换、整形和控制要求苛刻，通过数字在线操控技术能够在线实现激光系统的自动校准。对数字在线操控的关键技术如非线性宽带传输、宽带放大和频率转换等模型及其算法进行详细分析。同时还对激光系统中不可或缺的辅助性技术开展了研究，具体包括基于傍轴光线追迹方程（ＰＲＴＥ）的光线追迹、光场的矢量衍射传输、基于迭代算法的相位恢复、光栅分析以及微纳米器件的时域有限差分（ＦＤＴＤ）分析等。在建模及算法分析过程中，给出了相应的模拟计算结果，并用来验证理论的正确性和算法的稳定性。
关键词　激光技术；非线性传输；宽带放大；频率转换；光线追迹；相位恢复；时域有限差分

１　引　　言
    对于惯性约束聚变（ＩＣＦ）装置的运行和调试必须精准和快速，需要一套完整的软件用于模拟仿真和控制、反馈、调整整个激光光路［１～６］。以美国国家点火装置（ＮＩＦ）为例，相关科研人员于２００１年着手研发的数字化运行控制模块这一关键技术，经过３年努力，终于在２００４年１０月首次调试运行，期间进行了约４００发次的实验。历经多次的反复修正和反馈，在２００５年实现８路激光的自动调整。之后在此基础上，成功实现１９２束激光束的稳定输出与束间精密平衡控制。数字化运行控制模块通过反复的实验标定与验证，目前已成功发展成为新一代聚变级激光装置稳定运行及束间能量和功率平衡的核心平台。

    目前，国外比较成熟的软件有ＰＲＯＰ、Ｆｒｅｎｓｅｌ、Ｍｉｒó等；国内较早地开发了ＳＧ９９ 软件用于系统能流特性分析，这是国内首套全光路、全过程高功率固体激光装置模拟设计软件包，其主要功能包括线性／非线性传输、纳秒级脉冲功率放大、频率转换等物理过程的描述和计算。需要指出的是，对电磁场的准确描述需要一个准四维（空间＋时间）建模，这样才能够更好地描述和操控激光系统，实现精确打靶。目前公开报道的文献和资料显示，各个软件的侧重点各不相同，而算法的不同会导致模型数值计算的收敛速度以及适应范围也略有差异。本文结合目前已有研究，试图对这一技术所涉及的物理模型和算法做一比较详细的准四维描述。分析了上述软件共同具有的模型，主要包括线性／非线性传输、激光放大和频率转换。对涉及到的单元技术及算法展开分析，主要体现在基于傍轴光线追迹方程（ＰＲＴＥ）的光线追迹、光场的矢量衍射传输、基于迭代算法的相位恢复以及微纳米器件的时域有限差分（ＦＤＴＤ）分析等，这一辅助性的单元技术在激光系统中同样占据不可或缺的地位，因此有必要专门建模和分析。

3 FDTD分析
    ＦＤＴＤ 方法是一种数值计算电磁场的方法［３７］。该方法从依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程出发，对电场、磁场分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，每一个电场（或磁场）分量周围有四个磁场（或电场）分量环绕，在电场和磁场各分量交叉设置的网格空间中，利用具有二阶精度的中心差分格式把各场分量满足的微分方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。它在解决电磁场问题中均按初值问题处理，依时间步推进计算，并在每一时间步交替地计算每一离散点的电场和磁场。虽然其本质上属于时域方法，但也可以直接用于稳态电磁场的计算。ＦＤＴＤ 方法是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法。在计算中将空间某一样本点的电场（或磁场）与周围格点的磁场（或电场）直接相关联，且介质参数已赋值给空间每一个元胞，因此这一方法可以处理复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射等问题。同时，由于ＦＤＴＤ 有随时间推进的特征，可以方便地给出电磁场的时间演化过程。但由于计算机容量的限制，ＦＤＴＤ 计算只能在有限区域内进行。为了模拟开域的电磁过程，在计算区域的截断边界处必须给出吸收边界条件，通常的做法是结合Ｂｅｒｅｎｇｅｒ完全匹配层（ＰＭＬ）吸收边界条件分析结构的电磁特性。实现ＦＤＴＤ 的流程图如图１０所示。
    实例：以ＴＥ 波的圆柱金属散射为例，波长６ｃｍ，空间步长３ｍｍ，ＦＤＴＤ 计算区域为１００×５０单元格，调制高斯脉冲源放置在单元格（１５，２５）处，金属半径为３ｃｍ，中心位置在（８０，２５）单元格处，其时间迭代取３００ 步。图１１显示了在不同的迭代时间步时的电场犈狓和犈狔及磁场犎狕的幅值分布。由于金属体的高反射特性和高电损耗，ＴＥ 波除了金属柱迎面存在反射之外，其他处光波都“绕”过金属柱，程序运行结果与文献［３７］一致。

４　结束语
在神光装置中涉及的其他分单元技术还包括大口径光栅、部分相干偏振分析等［３８］，调制光传输，放大和频率转换的反演实现［３９，４０］以及相应的宽带研究。这些工作都有待于后续开展。下一步的工作将通过与实验对比完善上述模型，同时开展数字在线操控技术的反馈算法，以期达到对于给定的输出波形，能够反演出激光系统输入波形的目标。