圖1 神光II升級激光裝置中的計算光場測量模塊及測量光路

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室團隊在高功率激光精密計算光場測量研究方面取得新進展。研究團隊將物理光學(xué)成像與計算光學(xué)成像技術(shù)相結(jié)合，顯著提升了高功率激光計算光場的測量精度。相關(guān)成果以“Computational near-field and far-field parameter measurement of high-power lasers using modified coherent modulation imaging”為題，發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

高功率激光計算光場測量能實現(xiàn)激光復(fù)振幅(強度和波前/相位)的同時測量，并能重建出遠場不同平面位置處的高動態(tài)焦斑分布，對于物理打靶狀態(tài)的精確分析和高功率激光裝置的穩(wěn)定運行具有重要的技術(shù)支撐作用。但現(xiàn)有研究在單次曝光數(shù)據(jù)采集條件下，計算波前編碼成像在重建大口徑激光光束復(fù)振幅時存在信噪比不足的問題，導(dǎo)致測量精度難以滿足實際激光裝置激光參數(shù)測量的實際需求。

圖2 高功率激光(能量8558J，脈寬5 ns)光場在線測量結(jié)果。(a)計算成像測量的近場強度分布;(b)計算成像測量的近場相位分布;(c)計算成像測量的遠場焦斑分布;(d)對應(yīng)(c)中焦斑的環(huán)圍能量曲線;(e)通過CCD直接測量的近場強度分布;(f)夏克-哈特曼波前傳感器直接記錄的近場相位分布;(g)通過CCD直接記錄的遠場焦斑分布;(h)對應(yīng)(g)中焦斑的環(huán)圍能量曲線

圖3 通過將重建的復(fù)振幅沿光軸進行數(shù)值計算傳播獲得的焦平面附近焦斑的演化圖像

對此，研究團隊根據(jù)現(xiàn)有裝置的測量光路參數(shù)，將取樣后的大口徑激光光束直接成像數(shù)據(jù)融合到計算波前編碼成像過程，并通過改進算法有效提升了大口徑激光光束復(fù)振幅重建的信噪比。實驗過程中，研究團隊對計算光場測量系統(tǒng)靜態(tài)像差進行了標定，對大能量的高功率脈沖激光復(fù)振幅光場進行了測量。實驗結(jié)果表明，該方法在近場波前分辨率方面優(yōu)于哈特曼(Hartmann)測量法，測量遠場焦斑所呈現(xiàn)的動態(tài)范圍(176 dB)高于傳統(tǒng)直接成像技術(shù)(62 dB)。該研究的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、對環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，有望在高能量密度物理等前沿科學(xué)研究、工業(yè)檢測與智能制造、生物醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)等領(lǐng)域進行應(yīng)用。

研究工作得到了國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金委員會、工業(yè)和信息化部、中國科學(xué)院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等項目的支持。

審核編輯 黃宇