在首屆中國軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽獲金獎(jiǎng)的高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室劉誠研究員和朱健強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)研制的“新型激光光束光場在線測(cè)量儀”以波前分束編碼成像為基本技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光束復(fù)振幅的直接測(cè)量，能同時(shí)獲得光束同一位置的光場分布和波面，為高功率激光裝置光束質(zhì)量檢測(cè)提供了新的方法。

光束質(zhì)量作為激光器的重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，一直是激光光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。眾所周知，美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的“國家點(diǎn)火裝置”（NIF）是目前最大規(guī)模的光學(xué)工程項(xiàng)目。早在上世紀(jì)70年代，勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室就建立了Argus、Shiva等裝置，這些慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)裝置都是通過空間濾波器進(jìn)行像傳遞，最終進(jìn)行聚焦打靶的激光裝置。

激光束質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)：近場、遠(yuǎn)場和波面

空間濾波器是個(gè)低通濾波的4f系統(tǒng)，通過其像傳遞是為了避免光束傳輸引入調(diào)制幅度過大的菲涅爾衍射環(huán)，在隨后的放大介質(zhì)及其它光學(xué)元件中產(chǎn)生自聚焦損傷。

空間濾波器的作用就是為了改善激光束的質(zhì)量，嚴(yán)格來講每個(gè)像傳遞節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)近場（像傳遞面附近光束強(qiáng)度分布）和遠(yuǎn)場（像傳遞面光束傳輸?shù)綗o窮遠(yuǎn)處的光束光強(qiáng)分布）。另外，空間濾波器的輸入輸出波面是保證其基本性能的重要參數(shù)，以前的激光裝置光學(xué)元件口徑比較小，波面主要受光路準(zhǔn)直的影響。

圖1 空間濾波器像傳遞示意圖

隨著光學(xué)元件口徑增大，制造裝校引入的像差、中頻波紋等波面誤差會(huì)影響近場與遠(yuǎn)場分布，因此監(jiān)測(cè)光束質(zhì)量需要兼顧近場、遠(yuǎn)場和波面參數(shù)才完備，如能檢測(cè)同一時(shí)刻同一位置的三個(gè)參數(shù)則最理想。激光束隨著傳輸方向通過一個(gè)個(gè)光學(xué)元件，波面也隨著光學(xué)元件波面誤差及衍射效應(yīng)變化，近場和遠(yuǎn)場受同一位置的波面畸變影響，唯有“慧眼”識(shí)得其“真身”。

神光裝置的激光束空間參數(shù)檢測(cè)

激光參數(shù)檢測(cè)伴隨著神光系列裝置的發(fā)展，從神光I裝置開始就進(jìn)行了較完備的激光參數(shù)測(cè)量，其中就包括激光束空間參數(shù)檢測(cè)——近場、遠(yuǎn)場和波面。20年前神光II研制過程中，進(jìn)一步優(yōu)化的近場儀和遠(yuǎn)場儀對(duì)合理光路排布及光束質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制起到了重要作用。

神光II裝置近場儀：

采用了高靈敏度科學(xué)CCD相機(jī)，被測(cè)光束截面位置與CCD相機(jī)接收面物像共軛。儀器設(shè)計(jì)在大幅度衰減光強(qiáng)的情況下保證對(duì)被測(cè)光束光強(qiáng)分布的線性響應(yīng)，衰減片組合與不鍍膜楔板轉(zhuǎn)接反射鏡提升了儀器的量程范圍，采用三級(jí)暗箱隔離以防止氙燈光與雜散光的干擾，降低了背景噪聲。數(shù)據(jù)處理引入光束填充因子作為近場分布的評(píng)價(jià)參數(shù)，描述的是光束幾何體積與光束峰值為高構(gòu)成的長方體體積的比值。近場儀的監(jiān)測(cè)使神光II裝置光路嚴(yán)格按像傳遞排布，大大改進(jìn)了其光束質(zhì)量。

神光II裝置遠(yuǎn)場儀：

采用長焦透鏡成像放大測(cè)量遠(yuǎn)場主瓣分布，并采用紋影法擋住焦斑中心點(diǎn)測(cè)量遠(yuǎn)場旁瓣。由于光束近遠(yuǎn)場監(jiān)測(cè)的作用，神光II裝置長期保持較好的光束質(zhì)量：近場填充因子50%以上、遠(yuǎn)場焦斑95%能量在三倍衍射極限內(nèi)（圖2），這使得神光II裝置至今穩(wěn)定運(yùn)行了16年。

圖2 神光II裝置近場（a）、遠(yuǎn)場（b）分布圖

高功率激光驅(qū)動(dòng)器光束檢測(cè)的方法與難點(diǎn)

慣性約束高功率固體激光驅(qū)動(dòng)裝置光束質(zhì)量追求方形平頂高斯分布的近場以便提升增益介質(zhì)的能量提取效率，降低傳輸中非線性效應(yīng)引起的光學(xué)元件破壞風(fēng)險(xiǎn)，減小衍射引起的光束調(diào)制；追求能量集中度高的遠(yuǎn)場分布，避免打靶時(shí)堵孔并提高輻照能量。

由于裝置中光學(xué)元件存在波面誤差及其對(duì)光束傳輸?shù)臄_動(dòng)，近遠(yuǎn)場分布無論如何擺脫不了波面畸變的影響。因此，其激光束空間分布檢測(cè)的參數(shù)主要有近場強(qiáng)度分布、遠(yuǎn)場特性以及相關(guān)的波面畸變，即反映了裝置特定位置的光束復(fù)振幅分布特性。

高功率激光驅(qū)動(dòng)器近場測(cè)量普遍采用像傳遞系統(tǒng)縮束成像，成像畸變?cè)降停直媛试礁撸玫浇鼒龇植嫉念l率成份就越多，但完全保真是不可能的，對(duì)于大口徑近場分布而言，小于mm尺度的起伏難于線性成像或無法測(cè)量。而遠(yuǎn)場測(cè)量保真度則更難了，主要難點(diǎn)是：

1）測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大精度高（動(dòng)態(tài)范圍4個(gè)量級(jí)以上）；

2）是位相畸變的不確定性造成實(shí)際遠(yuǎn)場位置的不確定，測(cè)量時(shí)難于估計(jì)離焦量。

目前各裝置報(bào)道的直接測(cè)量遠(yuǎn)場方法采用“主瓣”、“旁瓣”分離測(cè)量的方法可解決第一個(gè)難題。但解決第二個(gè)難題并沒有最佳的方案。其實(shí)解決遠(yuǎn)場測(cè)量的第二個(gè)難點(diǎn)的最好方法是獲取高分辨率的波面分布，根據(jù)遠(yuǎn)場和近場、位相之間的關(guān)系計(jì)算出最佳遠(yuǎn)場位置。

波面的測(cè)量無疑比近遠(yuǎn)場測(cè)量困難多了，常用的哈特曼光闌傳感器測(cè)量方法只能響應(yīng)低頻波面，對(duì)于波面的中高頻成份無法測(cè)量。剪切干涉方法雖然從神光I裝置就開始使用，國內(nèi)外也普遍采用此方法測(cè)量激光束波面[8-11]，但調(diào)整到適用量程難度高，單幅干涉圖解算不易，測(cè)量分辨率和精度并不理想。

圖3 大口徑激光束波前在線精密測(cè)量

(a)是正在用于實(shí)際測(cè)量的系統(tǒng)照片，主要部分僅僅包括一塊隨機(jī)相位版和一個(gè)CCD，結(jié)構(gòu)非常緊湊。(b)是一塊USAF 1951分辨率板被放置在光束匯聚透鏡的后表面時(shí)，所測(cè)量到的近場束強(qiáng)度像，從中可以看出分辨率在1.5mm左右，遠(yuǎn)高于哈特曼傳感器的分辨率。（c）和（d）是分別用干涉儀和所研制的測(cè)量設(shè)備對(duì)同一塊光學(xué)平板進(jìn)行測(cè)量時(shí)所得到的透射函數(shù)，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)二者符合的較好。所研制的測(cè)量設(shè)備目前所達(dá)到的測(cè)量精度約為十分之一波長，這對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)器的在線波前檢測(cè)來說已經(jīng)十分理想。