上海光机所在高功率激光精密计算光场测量研究方面取得新进展

图1 神光II升级激光装置中的计算光场测量模块及测量光路

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室团队在高功率激光精密计算光场测量研究方面取得新进展。研究团队将物理光学成像与计算光学成像技术相结合，显著提升了高功率激光计算光场的测量精度。相关成果以“Computational near-field and far-field parameter measurement of high-power lasers using modified coherent modulation imaging”为题，发表于High Power Laser Science and Engineering。

高功率激光计算光场测量能实现激光复振幅(强度和波前/相位)的同时测量，并能重建出远场不同平面位置处的高动态焦斑分布，对于物理打靶状态的精确分析和高功率激光装置的稳定运行具有重要的技术支撑作用。但现有研究在单次曝光数据采集条件下，计算波前编码成像在重建大口径激光光束复振幅时存在信噪比不足的问题，导致测量精度难以满足实际激光装置激光参数测量的实际需求。

图2 高功率激光(能量8558J，脉宽5 ns)光场在线测量结果。(a)计算成像测量的近场强度分布;(b)计算成像测量的近场相位分布;(c)计算成像测量的远场焦斑分布;(d)对应(c)中焦斑的环围能量曲线;(e)通过CCD直接测量的近场强度分布;(f)夏克-哈特曼波前传感器直接记录的近场相位分布;(g)通过CCD直接记录的远场焦斑分布;(h)对应(g)中焦斑的环围能量曲线

图3 通过将重建的复振幅沿光轴进行数值计算传播获得的焦平面附近焦斑的演化图像

对此，研究团队根据现有装置的测量光路参数，将取样后的大口径激光光束直接成像数据融合到计算波前编码成像过程，并通过改进算法有效提升了大口径激光光束复振幅重建的信噪比。实验过程中，研究团队对计算光场测量系统静态像差进行了标定，对大能量的高功率脉冲激光复振幅光场进行了测量。实验结果表明，该方法在近场波前分辨率方面优于哈特曼(Hartmann)测量法，测量远场焦斑所呈现的动态范围(176 dB)高于传统直接成像技术(62 dB)。该研究的方法具有结构简单、测量精度高、对环境适应性好等优点，有望在高能量密度物理等前沿科学研究、工业检测与智能制造、生物医学与生命科学等领域进行应用。

研究工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委员会、工业和信息化部、中国科学院、上海市科学技术委员会等项目的支持。

审核编辑 黄宇