上海光機所光束相位在線測量技術取得新進展

　　中科院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯合實驗室劉誠研究員課題組提出了一種用單幅衍射光斑實現光束相位測量的新技術。利用光柵分光法同時記錄多個散射斑，從而使PIE(Ptychographic Iterative Engine)成像通過一次CCD曝光得以實現。該項工作已發表在學術期刊APPLIED PHYSICS LETTERS上。

　　激光束相位的精密測量和監控對提高激光驅動器的性能有著重要意義，但常用的干涉方法等由于受到各種實際條件的限制而很難在工程現場使用。傳統上用于x-射線等短波長成像領域的相干衍射成像CDI(Coherent Diffractive Imaging)技術，由于具有可進行單次曝光測量、光路簡單、對環境要求低等優點，已經被嘗試使用在高功率激光驅動器領域進行光束的相位測量和光束焦點預測等方面，韓國、日本和美國的研究人員在各自的驅動器裝置上進行了很多探索性研究。但采用傳統的CDI方法，需要多個平面同時采集數據并關聯使用，或需要其它設備進行協助，測量程序和光路設置上仍較為復雜，不能完全符合現場在線測量的實際需求。該課題組所提出的方法在具有PIE技術的快速收斂、低噪聲和高精度等特點的同時，保留了傳統CDI方法的高速特性，理論上可以對模擬光甚至打靶光束進行在線實時測量，為高功率激光束的波前測量和監控提供了一種全新的手段。

　　該方法的測量系統由一個CCD和一塊2cm×2cm的相位板組成，由于體積小巧，幾乎不受空間限制，理論上可以放置于驅動器的任何位置對光束進行實時的在線檢測，對提高激光驅動器的系統調整和運行效率及改善系統的性能都有突出的實用價值。

　　該項研究得到了中國科學院“百人計劃”的支持。

圖1 光束相位測量：利用此方法對光束進行相位測量的原理驗證性實驗結果，為了增加實驗的直覺效果，光束中被放入一個透明的樣品。圖 (a)是所記錄的散射斑，圖(b)和圖(c)是測量到的光束的強度和相位的調制(具體參見文章報道)。

圖2 焦點預測實驗結果：焦斑形狀是衡量激光驅動器工作狀態的最直接參數之一，大口徑激光束經透鏡聚焦后焦平面上的強度過大而且尺寸很小，直接記錄焦點的形狀分布并不現實。理論上可以通過測量離焦平面上的強度和相位分布，然后經菲涅爾公式反演計算出焦點的實際形狀。但由于驅動器空間結構受限且只有一個激光脈沖，傳統的方法很難使用。采用該課題組所提出的方法，將一個有高度隨機結構的相位板放置于任意離焦平面上，并記錄下所形成的散射斑就可以測量出該平面上光場的復振幅分布，并進而計算出焦點的實際分布情況。圖2為用He-Ne激光所做的模擬實驗結果，經特殊加工的相位板放置于光束焦點前的任一平面上，單次曝光記錄其散射斑后，測量出圖2(a)和(b)所示的該平面上的強度和相位分布，(c)為由(a)和(b)計算所得到的焦點分布，(d)為將CCD放置于焦平面上實際所記錄到的焦點分布。通過(c)和(d)可以看出，預測的焦點形狀和實際測量結果之間的差別很難通過目視觀測進行分辯。