隨著高功率激光裝置的發(fā)展，人們對(duì)裝置輸出能力和光束質(zhì)量的要求越來越高，同時(shí)也對(duì)光場(chǎng)測(cè)量提出了新的要求。
圖 NLF光場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。(a)近場(chǎng)光強(qiáng)；(b)近場(chǎng)相位；(c)遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)；(d)記錄光斑
目前運(yùn)用的直接成像法只能在有限固定平面上獲得光束近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的強(qiáng)度分布；哈特曼傳感器也只能測(cè)量低頻波前信息，精密的中高頻波前信息無法獲?。欢す鈧鬏斶^程中，三倍頻損傷、多波長(zhǎng)效應(yīng)等也使傳統(tǒng)的測(cè)量方法捉襟見肘。所以一直沒有合適的技術(shù)能在線以足夠高的精度同時(shí)測(cè)量出高功率激光束的強(qiáng)度和相位，激光束光場(chǎng)的全面在線檢測(cè)一直沒能實(shí)現(xiàn)。
高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室基于多年的技術(shù)積累，提出一種新的波前測(cè)量方法——相干調(diào)制成像（CMI）方法。
相干調(diào)制成像（CMI）方法
在原理上不同于現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)，相干調(diào)制成像（CMI）方法利用一塊結(jié)構(gòu)已知、高度隨機(jī)分布的相位板對(duì)待測(cè)波前進(jìn)行相位調(diào)制，由CCD記錄下單幅衍射光斑，然后通過迭代算法對(duì)待測(cè)光的振幅和相位同時(shí)進(jìn)行重建。重建的思路是：將猜測(cè)的入射光場(chǎng)在入射窗面及CCD面之間來回傳輸，并分別在兩個(gè)面上對(duì)振幅施加約束條件，使計(jì)算光場(chǎng)逐步收斂于真實(shí)值。那如何確保收斂所得的即為真實(shí)的復(fù)振幅呢？
圖 CMI法波前測(cè)量實(shí)物圖
從空域上來看，隨機(jī)相位板的強(qiáng)散射作用使待測(cè)波前的點(diǎn)與點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)，因而待測(cè)波前上的些許差異都將在CCD采集的衍射斑中產(chǎn)生很大差別（如下圖所示）。因此通過衍射光斑強(qiáng)度和入射窗面空域的限制，最終計(jì)算光場(chǎng)只能收斂于真實(shí)光場(chǎng)。
圖 不同入射波前在衍射斑中產(chǎn)生的差異
從頻域上解釋，隨機(jī)分布的相位板頻譜較寬，由于其與入射光頻譜的作用為一卷積過程。相位板的頻譜范圍越寬，所能構(gòu)建的方程就越多，當(dāng)方程數(shù)大于未知數(shù)個(gè)數(shù)（入射光頻譜）時(shí)，可求得唯一解。
簡(jiǎn)而言之，隨機(jī)相位板的強(qiáng)調(diào)制作用加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)有空域及頻域的限制，增強(qiáng)了對(duì)波前的篩選能力，從而能夠獲得真實(shí)的振幅和相位。獲得待測(cè)波前的真實(shí)分布后，便可進(jìn)一步提取出所需的近遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布、光束指向、能量聚集度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的全面診斷。
CMI方法的應(yīng)用
利用CMI方法研制的儀器具有結(jié)構(gòu)小巧、測(cè)量速度快和精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可放置于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)任何位置對(duì)光束波前進(jìn)行實(shí)時(shí)精密檢測(cè)。它克服了現(xiàn)有直接成像法和哈特曼傳感器的不足，解決了只能通過干涉儀離線測(cè)量中高空間頻率的難題。目前該方法已成功在XXX國(guó)家激光裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量出了單次脈沖的近遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了500μm的近場(chǎng)分辨率。
圖 NLF光場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。(a)近場(chǎng)光強(qiáng)；(b)近場(chǎng)相位；(c)遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)；(d)記錄光斑
作為一種新型的波前測(cè)量技術(shù)，CMI方法同樣適用于光學(xué)元件的檢測(cè)，添加光源及準(zhǔn)直模塊后即能實(shí)現(xiàn)干涉儀的功能，測(cè)量精度達(dá)到0.05λ?？紤]到其較高的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性要求低、不需要參考光束等特點(diǎn)，該技術(shù)在元件測(cè)量領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。另外，基于原理性的突破，CMI方法也有望在交叉學(xué)科如顯微成像、等離子狀態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用。
圖 CMI光學(xué)元件測(cè)量?jī)x器效果圖及測(cè)量結(jié)果
CMI波前測(cè)量?jī)x在國(guó)防工程和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，并可以打破發(fā)達(dá)國(guó)家在大型光學(xué)精密測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。日前該項(xiàng)目榮獲首屆“中國(guó)軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽”金獎(jiǎng)，并獲得評(píng)委會(huì)的高度評(píng)價(jià)。高功率激光物理聯(lián)合室對(duì)CMI波前測(cè)量?jī)x的未來充滿信心。
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