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高功率激光装置的新型波前测量方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-31  来源:互联网  浏览次数:30

随着高功率激光装置的发展,人们对装置输出能力和光束质量的要求越来越高,同时也对光场测量提出了新的要求。

目前运用的直接成像法只能在有限固定平面上获得光束近场和远场的强度分布;哈特曼传感器也只能测量低频波前信息,精密的中高频波前信息无法获取;而激光传输过程中,三倍频损伤、多波长效应等也使传统的测量方法捉襟见肘。所以一直没有合适的技术能在线以足够高的精度同时测量出高功率激光束的强度和相位,激光束光场的全面在线检测一直没能实现。

高功率激光物理联合实验室基于多年的技术积累,提出一种新的波前测量方法——相干调制成像(CMI)方法。

相干调制成像(CMI)方法

在原理上不同于现有的测量技术,相干调制成像(CMI)方法利用一块结构已知、高度随机分布的相位板对待测波前进行相位调制,由CCD记录下单幅衍射光斑,然后通过迭代算法对待测光的振幅和相位同时进行重建。重建的思路是:将猜测的入射光场在入射窗面及CCD面之间来回传输,并分别在两个面上对振幅施加约束条件,使计算光场逐步收敛于真实值。那如何确保收敛所得的即为真实的复振幅呢?

图 CMI法波前测量实物图

从空域上来看,随机相位板的强散射作用使待测波前的点与点之间相互关联,因而待测波前上的些许差异都将在CCD采集的衍射斑中产生很大差别(如下图所示)。因此通过衍射光斑强度和入射窗面空域的限制,最终计算光场只能收敛于真实光场。

图 不同入射波前在衍射斑中产生的差异

从频域上解释,随机分布的相位板频谱较宽,由于其与入射光频谱的作用为一卷积过程。相位板的频谱范围越宽,所能构建的方程就越多,当方程数大于未知数个数(入射光频谱)时,可求得唯一解。

简而言之,随机相位板的强调制作用加强了对现有空域及频域的限制,增强了对波前的筛选能力,从而能够获得真实的振幅和相位。获得待测波前的真实分布后,便可进一步提取出所需的近远场强度分布、光束指向、能量聚集度等信息,实现对激光束的全面诊断。

CMI方法的应用

利用CMI方法研制的仪器具有结构小巧、测量速度快和精度高等诸多优点,可放置于驱动器内任何位置对光束波前进行实时精密检测。它克服了现有直接成像法和哈特曼传感器的不足,解决了只能通过干涉仪离线测量中高空间频率的难题。目前该方法已成功在XXX国家激光装置上进行了实验验证,测量出了单次脉冲的近远场光场分布,实现了500μm的近场分辨率。

图 NLF光场测量结果。(a)近场光强;(b)近场相位;(c)远场光强;(d)记录光斑

作为一种新型的波前测量技术,CMI方法同样适用于光学元件的检测,添加光源及准直模块后即能实现干涉仪的功能,测量精度达到0.05λ。考虑到其较高的测量动态范围、对环境稳定性要求低、不需要参考光束等特点,该技术在元件测量领域具有很好的发展前景。另外,基于原理性的突破,CMI方法也有望在交叉学科如显微成像、等离子状态测量等领域创新应用。

图 CMI光学元件测量仪器效果图及测量结果

CMI波前测量仪在国防工程和民用领域有着广泛的应用前景,并可以打破发达国家在大型光学精密测量仪器领域的技术垄断。日前该项目荣获首届“中国军民两用技术创新应用大赛”金奖,并获得评委会的高度评价。高功率激光物理联合室对CMI波前测量仪的未来充满信心。

 
关键词: 激光 波前测量
 
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