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，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯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成像與計算光學成像技術相結合，顯著提升了高功率激光計算光場的測量精度。相關成果以“Computational near-field and far-field parameter measurement of high-power lasers using modified coherent modulation imaging”為題，發表于High Power Laser Science and Engineering。

高功率激光計算光場測量能實現激光復振幅(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焦斑分布，對于物理打靶狀態的精確分析和高功率激光裝置的穩定運行具有重要的技術支撐作用。但現有研究在單次曝光數據采集條件下，計算波前編碼成像在重建大口徑激光光束復振幅時存在信噪比不足的問題，導致測量精度難以滿足實際激光裝置激光參數測量的實際需求。

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(c)中焦斑的環圍能量曲線;(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(g)中焦斑的環圍能量曲線

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

對此，研究團隊根據現有裝置的測量光路參數，將取樣后的大口徑激光光束直接成像數據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靜態像差進行了標定，對大能量的高功率脈沖激光復振幅光場進行了測量。實驗結果表明，該方法在近場波前分辨率方面優于哈特曼(Hartmann)測量法，測量遠場焦斑所呈現的動態范圍(176 dB)高于傳統直接成像技術(62 dB)。該研究的方法具有結構簡單、測量精度高、對環境適應性好等優點，有望在高能量密度物理等前沿科學研究、工業檢測與智能制造、生物醫學與生命科學等領域進行應用。

研究工作得到了國家科技重大專項、國家自然科學基金委員會、工業和信息化部、中國科學院、上海市科學技術委員會等項目的支持。

審核編輯 黃宇