在首屆中國軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應用大賽獲金獎的高功率激光物理聯(lián)合實驗室劉誠研究員和朱健強研究員團隊研制的“新型激光光束光場在線測量儀”以波前分束編碼成像為基本技術(shù)，實現(xiàn)了光束復振幅的直接測量，能同時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)量檢測提供了新的方法。

光束質(zhì)量作為激光器的重要性能評價指標之一，一直是激光光學領(lǐng)域的一個研究熱點。眾所周知，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的“國家點火裝置”（NIF）是目前最大規(guī)模的光學工程項目。早在上世紀70年代，勞倫斯·利弗莫爾實驗室就建立了Argus、Shiva等裝置，這些慣性約束聚變激光驅(qū)動裝置都是通過空間濾波器進行像傳遞，最終進行聚焦打靶的激光裝置。

激光束質(zhì)量檢測參數(shù)：近場、遠場和波面

空間濾波器是個低通濾波的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，嚴格來講每個像傳遞節(jié)點需要監(jiān)測近場（像傳遞面附近光束強度分布）和遠場（像傳遞面光束傳輸?shù)綗o窮遠處的光束光強分布）。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元件口徑比較小，波面主要受光路準直的影響。

圖1 空間濾波器像傳遞示意圖

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

神光裝置的激光束空間參數(shù)檢測

激光參數(shù)檢測伴隨著神光系列裝置的發(fā)展，從神光I裝置開始就進行了較完備的激光參數(shù)測量，其中就包括激光束空間參數(shù)檢測——近場、遠場和波面。20年前神光II研制過程中，進一步優(yōu)化的近場儀和遠場儀對合理光路排布及光束質(zhì)量監(jiān)測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CCD相機，被測光束截面位置與CCD相機接收面物像共軛。儀器設計在大幅度衰減光強的情況下保證對被測光束光強分布的線性響應，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價參數(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)測使神光II裝置光路嚴格按像傳遞排布，大大改進了其光束質(zhì)量。

神光II裝置遠場儀：

采用長焦透鏡成像放大測量遠場主瓣分布，并采用紋影法擋住焦斑中心點測量遠場旁瓣。由于光束近遠場監(jiān)測的作用，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)定運行了16年。

圖2 神光II裝置近場（a）、遠場（b）分布圖

高功率激光驅(qū)動器光束檢測的方法與難點

慣性約束高功率固體激光驅(qū)動裝置光束質(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引起的光學元件破壞風險，減小衍射引起的光束調(diào)制；追求能量集中度高的遠場分布，避免打靶時堵孔并提高輻照能量。

由于裝置中光學元件存在波面誤差及其對光束傳輸?shù)臄_動，近遠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的參數(shù)主要有近場強度分布、遠場特性以及相關(guān)的波面畸變，即反映了裝置特定位置的光束復振幅分布特性。

高功率激光驅(qū)動器近場測量普遍采用像傳遞系統(tǒng)縮束成像，成像畸變越低，分辨率越高，得到近場分布的頻率成份就越多，但完全保真是不可能的，對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量。而遠場測量保真度則更難了，主要難點是：

1）測量的動態(tài)范圍大精度高（動態(tài)范圍4個量級以上）；

2）是位相畸變的不確定性造成實際遠場位置的不確定，測量時難于估計離焦量。

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

波面的測量無疑比近遠場測量困難多了，常用的哈特曼光闌傳感器測量方法只能響應低頻波面，對于波面的中高頻成份無法測量。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量

(a)是正在用于實際測量的系統(tǒng)照片，主要部分僅僅包括一塊隨機相位版和一個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，所測量到的近場束強度像，從中可以看出分辨率在1.5mm左右，遠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量設備對同一塊光學平板進行測量時所得到的透射函數(shù)，對比可以發(fā)現(xiàn)二者符合的較好。所研制的測量設備目前所達到的測量精度約為十分之一波長，這對于激光驅(qū)動器的在線波前檢測來說已經(jīng)十分理想。