目前運用的直接成像法只能在有限固定平面上獲得光束近場和遠(yuǎn)場的強度分布；哈特曼傳感器也只能測量低頻波前信息，精密的中高頻波前信息無法獲??；而激光傳輸過程中，三倍頻損傷、多波長效應(yīng)等也使傳統(tǒng)的測量方法捉襟見肘。所以一直沒有合適的技術(shù)能在線以足夠高的精度同時測量出高功率激光束的強度和相位，激光束光場的全面在線檢測一直沒能實現(xiàn)。
高功率激光物理聯(lián)合實驗室基于多年的技術(shù)積累，提出一種新的波前測量方法——相干調(diào)制成像（CMI）方法。
相干調(diào)制成像（CMI）方法
在原理上不同于現(xiàn)有的測量技術(shù)，相干調(diào)制成像（CMI）方法利用一塊結(jié)構(gòu)已知、高度隨機分布的相位板對待測波前進行相位調(diào)制，由CCD記錄下單幅衍射光斑，然后通過迭代算法對待測光的振幅和相位同時進行重建。重建的思路是：將猜測的入射光場在入射窗面及CCD面之間來回傳輸，并分別在兩個面上對振幅施加約束條件，使計算光場逐步收斂于真實值。那如何確保收斂所得的即為真實的復(fù)振幅呢？
圖 CMI法波前測量實物圖
從空域上來看，隨機相位板的強散射作用使待測波前的點與點之間相互關(guān)聯(lián)，因而待測波前上的些許差異都將在CCD采集的衍射斑中產(chǎn)生很大差別（如下圖所示）。因此通過衍射光斑強度和入射窗面空域的限制，最終計算光場只能收斂于真實光場。
圖 不同入射波前在衍射斑中產(chǎn)生的差異
從頻域上解釋，隨機分布的相位板頻譜較寬，由于其與入射光頻譜的作用為一卷積過程。相位板的頻譜范圍越寬，所能構(gòu)建的方程就越多，當(dāng)方程數(shù)大于未知數(shù)個數(shù)（入射光頻譜）時，可求得唯一解。
簡而言之，隨機相位板的強調(diào)制作用加強了對現(xiàn)有空域及頻域的限制，增強了對波前的篩選能力，從而能夠獲得真實的振幅和相位。獲得待測波前的真實分布后，便可進一步提取出所需的近遠(yuǎn)場強度分布、光束指向、能量聚集度等信息，實現(xiàn)對激光束的全面診斷。
CMI方法的應(yīng)用
利用CMI方法研制的儀器具有結(jié)構(gòu)小巧、測量速度快和精度高等諸多優(yōu)點，可放置于驅(qū)動器內(nèi)任何位置對光束波前進行實時精密檢測。它克服了現(xiàn)有直接成像法和哈特曼傳感器的不足，解決了只能通過干涉儀離線測量中高空間頻率的難題。目前該方法已成功在XXX國家激光裝置上進行了實驗驗證，測量出了單次脈沖的近遠(yuǎn)場光場分布，實現(xiàn)了500μm的近場分辨率。
圖 NLF光場測量結(jié)果。(a)近場光強；(b)近場相位；(c)遠(yuǎn)場光強；(d)記錄光斑
作為一種新型的波前測量技術(shù)，CMI方法同樣適用于光學(xué)元件的檢測，添加光源及準(zhǔn)直模塊后即能實現(xiàn)干涉儀的功能，測量精度達(dá)到0.05λ。考慮到其較高的測量動態(tài)范圍、對環(huán)境穩(wěn)定性要求低、不需要參考光束等特點，該技術(shù)在元件測量領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。另外，基于原理性的突破，CMI方法也有望在交叉學(xué)科如顯微成像、等離子狀態(tài)測量等領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用。
圖 CMI光學(xué)元件測量儀器效果圖及測量結(jié)果
CMI波前測量儀在國防工程和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，并可以打破發(fā)達(dá)國家在大型光學(xué)精密測量儀器領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。日前該項目榮獲首屆“中國軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽”金獎，并獲得評委會的高度評價。高功率激光物理聯(lián)合室對CMI波前測量儀的未來充滿信心。
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