光束质量作为激光器的重要性能评价指标之一,一直是激光光学领域的一个研究热点。众所周知,美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的“国家点火装置”(NIF)是目前最大规模的光学工程项目。早在上世纪70年代,劳伦斯·利弗莫尔实验室就建立了Argus、Shiva等装置,这些惯性约束聚变激光驱动装置都是通过空间滤波器进行像传递,最终进行聚焦打靶的激光装置。

激光束质量检测参数:近场、远场和波面

空间滤波器是个低通滤波的4f系统,通过其像传递是为了避免光束传输引入调制幅度过大的菲涅尔衍射环,在随后的放大介质及其它光学元件中产生自聚焦损伤。

空间滤波器的作用就是为了改善激光束的质量,严格来讲每个像传递节点需要监测近场(像传递面附近光束强度分布)和远场(像传递面光束传输到无穷远处的光束光强分布)[1]。另外,空间滤波器的输入输出波面是保证其基本性能的重要参数,以前的激光装置光学元件口径比较小,波面主要受光路准直的影响。

图1 空间滤波器像传递示意图

随着光学元件口径增大,制造装校引入的像差、中频波纹等波面误差会影响近场与远场分布,因此监测光束质量需要兼顾近场、远场和波面参数才完备,如能检测同一时刻同一位置的三个参数则最理想。激光束随着传输方向通过一个个光学元件,波面也随着光学元件波面误差及衍射效应变化,近场和远场受同一位置的波面畸变影响,唯有“慧眼”识得其“真身”。

神光装置的激光束空间参数检测

激光参数检测伴随着神光系列装置的发展,从神光I装置开始就进行了较完备的激光参数测量,其中就包括激光束空间参数检测——近场、远场和波面[2]。20年前神光II研制过程中,进一步优化的近场仪和远场仪对合理光路排布及光束质量监测与控制起到了重要作用。

神光II装置近场仪:

采用了高灵敏度科学CCD相机,被测光束截面位置与CCD相机接收面物像共轭。仪器设计在大幅度衰减光强的情况下保证对被测光束光强分布的线性响应,衰减片组合与不镀膜楔板转接反射镜提升了仪器的量程范围,采用三级暗箱隔离以防止氙灯光与杂散光的干扰,降低了背景噪声。数据处理引入光束填充因子作为近场分布的评价参数,描述的是光束几何体积与光束峰值为高构成的长方体体积的比值。近场仪的监测使神光II装置光路严格按像传递排布,大大改进了其光束质量。

神光II装置远场仪:

采用长焦透镜成像放大测量远场主瓣分布[3],并采用纹影法挡住焦斑中心点测量远场旁瓣。由于光束近远场监测的作用,神光II装置长期保持较好的光束质量:近场填充因子50%以上、远场焦斑95%能量在三倍衍射极限内(图2),这使得神光II装置至今稳定运行了16年。


图2 神光II装置近场(a)、远场(b)分布图

高功率激光驱动器光束检测的方法与难点

惯性约束高功率固体激光驱动装置光束质量追求方形平顶高斯分布的近场以便提升增益介质的能量提取效率,降低传输中非线性效应引起的光学元件破坏风险,减小衍射引起的光束调制;追求能量集中度高的远场分布,避免打靶时堵孔并提高辐照能量。

由于装置中光学元件存在波面误差及其对光束传输的扰动,近远场分布无论如何摆脱不了波面畸变的影响。因此,其激光束空间分布检测的参数主要有近场强度分布、远场特性以及相关的波面畸变,即反映了装置特定位置的光束复振幅分布特性。

高功率激光驱动器近场测量普遍采用像传递系统缩束成像,成像畸变越低,分辨率越高,得到近场分布的频率成份就越多,但完全保真是不可能的,对于大口径近场分布而言,小于mm尺度的起伏难于线性成像或无法测量。而远场测量保真度则更难了,主要难点是:

1)测量的动态范围大精度高(动态范围4个量级以上);

2)是位相畸变的不确定性造成实际远场位置的不确定,测量时难于估计离焦量[4]

目前各装置报道的直接测量远场方法采用“主瓣”、“旁瓣”分离测量的方法可解决第一个难题[5-7]。但解决第二个难题并没有最佳的方案。其实解决远场测量的第二个难点的最好方法是获取高分辨率的波面分布,根据远场和近场、位相之间的关系计算出最佳远场位置。

波面的测量无疑比近远场测量困难多了,常用的哈特曼光阑传感器测量方法只能响应低频波面,对于波面的中高频成份无法测量。剪切干涉方法虽然从神光I装置就开始使用,国内外也普遍采用此方法测量激光束波面[8-11],但调整到适用量程难度高,单幅干涉图解算不易,测量分辨率和精度并不理想。


图3 大口径激光束波前在线精密测量 (a)是正在用于实际测量的系统照片,主要部分仅仅包括一块随机相位版和一个CCD,结构非常紧凑。(b)是一块USAF 1951分辨率板被放置在光束汇聚透镜的后表面时,所测量到的近场束强度像,从中可以看出分辨率在1.5mm左右,远高于哈特曼传感器的分辨率。(c)和(d)是分别用干涉仪和所研制的测量设备对同一块光学平板进行测量时所得到的透射函数,对比可以发现二者符合的较好。所研制的测量设备目前所达到的测量精度约为十分之一波长,这对于激光驱动器的在线波前检测来说已经十分理想。

在首届中国军民两用技术创新应用大赛获金奖的高功率激光物理联合实验室刘诚研究员和朱健强研究员团队研制的“新型激光光束光场在线测量仪”以波前分束编码成像为基本技术,实现了光束复振幅的直接测量,能同时获得光束同一位置的光场分布和波面,为高功率激光装置光束质量检测提供了新的方法。

参考文献:

[1]J. T. Hunt, J. A. Glaze, W. W. Simmons, P. A. Renard. Suppression of self-focusing through relay imaging and low pass spatial filtering[J]. Applied Optics, 1978, 17(13):2053-7.

[2]梁向春, 蒋玉柱, 施阿英. 高功率激光的光学特性测试[J]. 光学学报, 1982(2).

[3]支婷婷, 黄奎喜, 林尊琪, 等. 激光远场CCD诊断仪[J]. 激光与光电子进展, 1997(4): 29~35.

[4]赵军普. 高功率固体激光光束质量诊断方法研究[D]. 四川:四川大学, 2006.

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[11]李大海, 赵晓风, 陈怀新, 等. 基于循环式径向剪切干涉法的波前重建算法研究[J]. 强激光与粒子束, 2002, 14(2): 223-227.