作者：孫志紅,張波,趙軍普,董軍,曾發(fā),李平, 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng) 621900。

摘要: 為了實(shí)現(xiàn)多路激光集束焦斑測(cè)量，給出其時(shí)間和空間分辨的特性，搭建了基于成像系統(tǒng)、光電管結(jié)合示波器、條紋相機(jī)和科學(xué)CCD等主要部件組成的焦斑光學(xué)測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)科學(xué)CCD的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍及條紋相機(jī)增益系數(shù)、狹縫寬度、掃描時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行離線測(cè)試標(biāo)定。采用CCD測(cè)試多路激光時(shí)間積分的集束焦斑空間分布；采用光電管結(jié)合示波器及條紋相機(jī)對(duì)多路激光到達(dá)靶點(diǎn)的時(shí)間同步進(jìn)行測(cè)試；開展高質(zhì)量集束焦斑的時(shí)間分辨特性測(cè)試，獲得了光譜色散勻滑光束焦斑精細(xì)的時(shí)空演化圖像。多路激光集束焦斑形態(tài)及多路光束時(shí)間同步測(cè)試為提升高功率激光裝置焦斑測(cè)試技術(shù)和方法提供了支撐。

關(guān)鍵詞: 激光集束 焦斑 時(shí)間分辨 同步 

正文：激光的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑分布是高功率激光裝置光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，也是物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，焦斑分布直接反映了強(qiáng)激光的可聚焦能力，關(guān)系到激光能否順利通過物理靶孔，因此，獲取多路焦斑的形態(tài)分布為選擇合適的物理靶、改善焦斑質(zhì)量以適應(yīng)物理靶的要求提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

實(shí)際的高功率激光受放大、傳輸和終端光路中多種因素（如元件面型、熱畸變、氣流擾動(dòng)、損傷點(diǎn)等）的影響，焦斑形態(tài)不均勻且不穩(wěn)定，不符合ICF對(duì)激光驅(qū)動(dòng)的要求。為了得到穩(wěn)定、均勻的焦斑，人們提出了多種束勻滑方法，時(shí)間域束勻滑方法的光譜色散勻滑（SSD），結(jié)合空間域勻滑方法的連續(xù)相位板CPP）已經(jīng)成為高功率激光焦點(diǎn)整形的主流手段，而目前的束勻滑及測(cè)試技術(shù)研究多數(shù)集中在長(zhǎng)時(shí)間積分的焦斑不均勻性控制上，對(duì)于具體的焦斑時(shí)間演化特性、焦斑相干性研究較少。激光焦斑的測(cè)量方法主要有列陣相機(jī)法、衍射光柵法、紋影法等，通過分區(qū)測(cè)試、拼接等實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的焦斑測(cè)量，都是針對(duì)單一光束的高動(dòng)態(tài)范圍焦斑測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)多路激光的集束焦斑測(cè)量，通過對(duì)科學(xué)CCD進(jìn)行離線的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)定，搭建焦斑光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試多路激光集束焦斑時(shí)間積分的空間分布，獲得了集束焦斑的能量集中度；測(cè)試多路激光到達(dá)靶點(diǎn)的時(shí)間同步性，獲得了集束焦斑多路激光零同步差到達(dá)靶點(diǎn)；對(duì)條紋相機(jī)增益系數(shù)、狹縫寬度、掃描時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行離線測(cè)試標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)中獲得了時(shí)間分辨的集束焦斑特性；實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果為集束焦斑的認(rèn)識(shí)，光束的光譜色散勻滑的分析和優(yōu)化等提供了實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)支撐。

1.  集束焦斑的空間分布測(cè)試

首先對(duì)使用的科學(xué)CCD進(jìn)行靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的離線標(biāo)定，合理設(shè)置各路激光強(qiáng)度使得CCD工作在最佳線性區(qū)域，然后采用科學(xué)CCD對(duì)集束焦斑空間分布進(jìn)行時(shí)間積分測(cè)試。

1.1   科學(xué)CCD靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)定

為了實(shí)現(xiàn)高功率激光遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的高動(dòng)態(tài)范圍CCD測(cè)量，在測(cè)試集束焦斑之前，對(duì)CCD動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量原理圖見圖1。脈沖寬度為1 ns的三倍頻激光耦合到光纖，通過法蘭1轉(zhuǎn)接到一分二的分束器，采用分光方法，其中一束光通過光纖，進(jìn)入能量計(jì)1，另一束光通過光纖、耦合器和光管道進(jìn)入能量計(jì)2。首先通過調(diào)節(jié)光纖衰減器不斷改變由法蘭1進(jìn)入分束器的光束能量，分別讀取能量計(jì)1和能量計(jì)2的能量值E₁和E₂，根據(jù)E₂與E₁能量比值，給出一分二分束器的分光系數(shù)比k=E₂/E₁；移出能量計(jì)2并推入測(cè)量用CCD，調(diào)節(jié)CCD位置，光斑基本位于CCD中央。調(diào)節(jié)光纖衰減器改變?nèi)肷涞椒质鞯哪芰浚沟萌肷涞紺CD的能量逐步增加，分別采集CCD圖像，同時(shí)讀取能量計(jì)1的讀數(shù)值E₁′，光入射到CCD的能量為kE₁′，CCD灰度值為某一個(gè)固定區(qū)域內(nèi)像元灰度平均值。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置增益G=1，入射到CCD的能量-灰度曲線見圖2。

圖1  CCD動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量原理圖

圖2  CCD能量-灰度曲線

由圖2可以看出，入射到CCD的能量在0.1～18 nJ范圍內(nèi)CCD灰度呈線性變化，可以得到CCD響應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為1～180倍。集束焦斑測(cè)量，光束放大后約為8 mm×8 mm大小的光斑，參照CCD能量-灰度曲線，CCD離線標(biāo)定光斑根據(jù)像素個(gè)數(shù)換算面積約0.3 mm²，這樣，對(duì)于脈沖寬度1 ns的激光能量約3 μJ比較合適，所以集束焦斑測(cè)量入射到CCD的三倍頻激光能量按照約3 μJ進(jìn)行配置。

1.2   CCD測(cè)試時(shí)間積分的集束焦斑

前端輸入光束經(jīng)過光譜色散勻滑、光放大后經(jīng)過投射鏡進(jìn)入頻率轉(zhuǎn)換組件、連續(xù)相位板、透鏡及真空窗口會(huì)聚在靶點(diǎn)，如圖3所示，分別調(diào)節(jié)每路光束投射鏡姿態(tài)，通過靶點(diǎn)光束監(jiān)視系統(tǒng)使得多路激光會(huì)聚在靶點(diǎn)。在靶點(diǎn)架設(shè)小孔，調(diào)節(jié)激光器1姿態(tài)，使得出射光束穿過靶點(diǎn)和多路激光集束的基準(zhǔn)孔，實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將靶點(diǎn)焦斑放大約8倍，設(shè)計(jì)成像透鏡，計(jì)算靶點(diǎn)到成像透鏡的距離，按照成像透鏡的理論計(jì)算位置放置成像透鏡，調(diào)節(jié)成像透鏡姿態(tài)，與光路準(zhǔn)直。關(guān)閉激光器1，放置CCD并沿軸向前后移動(dòng)，使集束光斑成像在CCD上，CCD測(cè)試時(shí)間積分的集束焦斑。

圖3  集束焦斑實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖

三倍頻激光八路集束光斑成像在CCD上，CCD測(cè)得的積分集束焦斑及相應(yīng)的能量集中度計(jì)算結(jié)果見圖4。圖4（b）表示能量占比與光斑尺寸（以衍射極限D(zhuǎn)L為單位）之間的關(guān)系，其中，光束口徑360 mm，則對(duì)應(yīng)方光束的一倍衍射極限為1DL=1.95 μrad，光束焦距f=12 m，由圖4可以看出，八路集束焦斑的80%能量分布在32.5DL，則對(duì)應(yīng)焦斑大小為0.760 mm，即八路集束焦斑的80%能量分布在0.760 mm范圍內(nèi)。

圖4  積分的集束焦斑形貌及焦斑能量集中度

2.  集束焦斑的多路激光時(shí)間同步測(cè)試

采用“光電管+示波器”的方法對(duì)多路光束到達(dá)靶點(diǎn)的同時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。在靶點(diǎn)架設(shè)光電管測(cè)試各路激光到達(dá)靶點(diǎn)的時(shí)間波形，以某一路光束（N3）為基準(zhǔn)光束，分別測(cè)試光束與基準(zhǔn)光束的時(shí)間波形相對(duì)關(guān)系，之后分別調(diào)節(jié)每路激光器的輸入端，使得測(cè)試光束與基準(zhǔn)光束同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多路光束到達(dá)靶點(diǎn)“零同步差”。圖5（a）給出采用“光電管+示波器”方法四路激光同步調(diào)節(jié)前的時(shí)間波形（余輝采集模式），采用條紋相機(jī)測(cè)試的時(shí)間波形見圖5（b）。由余輝采集模式得到的時(shí)間波形5（a），以一光束在示波器上多次測(cè)量的最可幾峰值作為測(cè)量點(diǎn)，可以計(jì)算出任意二束光（或者一束光相對(duì)于基準(zhǔn)光束）的時(shí)間同步差值。對(duì)某一路光束相對(duì)基準(zhǔn)光束的時(shí)間同步差值進(jìn)行多次測(cè)量，同步時(shí)間差的最大值與最小值之間差值即為某一路光束的同步晃動(dòng)，由于每路光束的時(shí)間波形形狀有差異，通常以時(shí)間波形的后沿重合為判據(jù)得到光束的同步晃動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中光束N1，S1的同步晃動(dòng)測(cè)試分別為10、15 ps?？紤]到激光器每路的輸入端時(shí)間同步調(diào)節(jié)精度（約1 ps）、測(cè)試設(shè)備（光電管+示波器）測(cè)試精度（按照最大取樣率80 G/s，分辨率為12.5 ps）、及光束晃動(dòng)偏差（不大于20 ps），可以得出“光電管+示波器”方法測(cè)試多路光束到達(dá)靶點(diǎn)同步精度可控制在30 ps以內(nèi)。

圖5  四路激光時(shí)間波形

高功率激光器要求多路激光同時(shí)到達(dá)靶點(diǎn)，調(diào)節(jié)激光器輸入端，實(shí)現(xiàn)多路光束到達(dá)靶點(diǎn)“零同步差”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可以通過“光電管+示波器”測(cè)試時(shí)間波形對(duì)時(shí)間同步測(cè)調(diào)，達(dá)到“零同步差”，也可以采用條紋相機(jī)測(cè)試時(shí)間波形對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行精密調(diào)試。根據(jù)條紋相機(jī)測(cè)試的多路激光時(shí)間波形，精密調(diào)節(jié)激光器輸入端，圖6給出采用條紋相機(jī)測(cè)試光束S1與N1“零同步差”圖像，為了觀測(cè)更加直觀，將光束S1與N1在空間上略微調(diào)偏。

圖6  二路光束到達(dá)靶點(diǎn)的“零同步差”圖像

3.  集束焦斑的時(shí)間分辨的測(cè)試

為了獲得完美的時(shí)間分辨圖像，需要測(cè)試圖像對(duì)比度大，噪聲小，圖像的最大灰度值要接近CCD最大灰度而不飽和，這就需要根據(jù)入射光束強(qiáng)度合理選擇條紋相機(jī)的增益系數(shù)、狹縫寬度、入射光束衰減等參數(shù)，故實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)條紋相機(jī)增益系數(shù)、狹縫寬度、掃描時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行離線測(cè)試標(biāo)定。搭建了基于條紋相機(jī)的光成像系統(tǒng)，測(cè)試多路光束集束的高時(shí)空分辨的焦斑，得到光譜色散勻滑光束焦斑精細(xì)的時(shí)空演化圖像。

3.1   條紋相機(jī)參數(shù)標(biāo)定

3.1.1   增益系數(shù)與強(qiáng)度灰度關(guān)系

采用WBr燈進(jìn)行標(biāo)定，待光源穩(wěn)定后，固定相機(jī)狹縫寬度、掃描寬度、CCD曝光時(shí)間，保持測(cè)試平臺(tái)其他實(shí)驗(yàn)條件不變，不斷改變條紋相機(jī)增益，采集圖像，如圖7（a）所示，取圖像的一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)所有像素灰度之和，可以得到增益系數(shù)與強(qiáng)度灰度關(guān)系。設(shè)增益為0時(shí)，強(qiáng)度灰度設(shè)為1，當(dāng)增益分別設(shè)定為10、20、30、40、50等時(shí)，強(qiáng)度灰度變化為4、16、64、130、512倍，見圖7（b），可以看出，增益系數(shù)與相對(duì)強(qiáng)度灰度關(guān)系呈非線性變化。

圖7  條紋相機(jī)采集的圖像及增益系數(shù)與相對(duì)強(qiáng)度灰度關(guān)系

3.1.2   相機(jī)狹縫寬度與強(qiáng)度灰度關(guān)系

固定條紋相機(jī)增益、掃描寬度、CCD曝光時(shí)間，保持其它實(shí)驗(yàn)條件不變，不斷改變相機(jī)狹縫寬度，采集圖像，得到相機(jī)狹縫寬度與強(qiáng)度灰度關(guān)系。設(shè)相機(jī)狹縫寬度為10 μm時(shí)相對(duì)強(qiáng)度灰度為1，當(dāng)相機(jī)狹縫寬度分別為20、40、60、80、100 μm時(shí)，強(qiáng)度灰度變化分別為2、4、6、8、10倍，由圖8可以看出相機(jī)狹縫寬度與相對(duì)強(qiáng)度灰度基本呈線性變化關(guān)系。

圖8  狹縫寬度與相對(duì)強(qiáng)度灰度關(guān)系

3.1.3   掃描時(shí)間與強(qiáng)度灰度關(guān)系

固定相機(jī)狹縫寬度、條紋相機(jī)增益、掃描寬度、CCD曝光時(shí)間，保持其它實(shí)驗(yàn)條件不變，不斷改變相機(jī)掃描時(shí)間寬度，采集圖像，得到相機(jī)掃描時(shí)間寬度與強(qiáng)度灰度關(guān)系。歸一強(qiáng)度灰度處理，當(dāng)掃描時(shí)間為2 ns時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度灰度設(shè)為1，當(dāng)掃描時(shí)間分別設(shè)定為為5 ns和10 ns時(shí)，強(qiáng)度灰度變化為2.48和4.86倍，可以看出，相機(jī)掃描時(shí)間寬度與相對(duì)強(qiáng)度灰度基本呈線性變化關(guān)系。

3.2   時(shí)間分辨焦斑測(cè)試

通過一套光學(xué)系統(tǒng)將多光束的聚焦光斑進(jìn)行放大后，條紋相機(jī)對(duì)焦斑進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量，通過帶時(shí)間分辨的焦斑測(cè)試評(píng)估集束聚焦的時(shí)空性能，主要是聚焦區(qū)域不同位置的波形一致性和光束勻滑性能。實(shí)驗(yàn)中，考慮激光器前端發(fā)射的能量、功率密度水平和條紋相機(jī)的響應(yīng)特性，合理給出成像系統(tǒng)放大倍數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和條紋相機(jī)精密調(diào)試，綜合考慮入射光束強(qiáng)度及條紋相機(jī)參數(shù)，采集到了完整的焦斑數(shù)據(jù)，獲得了焦斑時(shí)空特性。在此舉例給出無SSD條件下的窄帶激光和沿SSD掃動(dòng)方向的光束焦斑動(dòng)態(tài)特性分別見圖9（a）和9 （b），其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果在此不再贅述。

圖9  光束焦斑動(dòng)態(tài)演化圖像

由圖9（a）可見，無SSD焦斑各區(qū)域強(qiáng)度隨時(shí)間的變化比較穩(wěn)定，在圖像的水平方向，即條紋相機(jī)的狹縫方向，光束的空間分布不均勻。圖9（b）中，調(diào)頻的SSD脈沖聚焦光斑存在明顯的時(shí)空調(diào)制，主要表現(xiàn)為：焦斑各局部區(qū)域存在較強(qiáng)的幅度調(diào)制，不同區(qū)域調(diào)制步調(diào)不一致，但基本有與調(diào)頻相同的周期（SSD掃動(dòng)方向的區(qū)域與調(diào)頻周期相同），實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SSD脈沖的光束勻滑理論。

圖10給出無SSD和沿SSD掃動(dòng)方向的不同區(qū)域（A～G）各點(diǎn)的脈沖時(shí)間波形。由圖10（a）可以看出，無SSD窄帶條件下的焦斑時(shí)空特性，聚焦各區(qū)域的時(shí)間波形穩(wěn)定一致，脈沖波形具備100 ps的上升沿。圖10（b）中，沿SSD掃動(dòng)方向條件下的焦斑時(shí)空特性，由于SSD的掃動(dòng)帶來了各點(diǎn)的脈沖時(shí)間波形局部的幅度調(diào)制，不同區(qū)域的幅度調(diào)制并不一致，幅度調(diào)制周期基本相同。

圖  10  光束焦斑各點(diǎn)的脈沖時(shí)間波形

由于條紋相機(jī)復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換過程，其空間分辨率限制了最小散斑的觀測(cè)。相機(jī)實(shí)際空間分辨率可以這樣簡(jiǎn)單估算，將圖4的CCD采集的焦斑圖像給定一個(gè)空間頻率值進(jìn)行高頻濾波，同時(shí)根據(jù)圖9（a）得到條紋相機(jī)測(cè)得圖像的最小條紋寬度，如果條紋相機(jī)測(cè)得圖像的最小條紋寬度與給定空間頻率值計(jì)算得到的條紋寬度相同，則給定的空間頻率倒數(shù)即為條紋相機(jī)的實(shí)際空間分辨率。

4.  結(jié)　論

將CCD靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍離線標(biāo)定作為基礎(chǔ)，通過合理設(shè)置多路激光集束光強(qiáng)度，獲得多路激光集束CCD焦斑；采用光電管+示波器、條紋相機(jī)測(cè)試多路激光集束到達(dá)靶點(diǎn)的同時(shí)性，調(diào)節(jié)激光器每路的輸入端，實(shí)現(xiàn)多路光束到達(dá)靶點(diǎn)“零同步差”；對(duì)條紋相機(jī)增益系數(shù)、狹縫寬度、掃描時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定，設(shè)計(jì)光學(xué)放大系統(tǒng)，綜合考慮入射光束強(qiáng)度及條紋相機(jī)參數(shù)，開展多路激光集束聚焦的時(shí)間分辨的焦斑測(cè)試，通過評(píng)估多路激光集束聚焦的時(shí)空性能，主要是聚焦區(qū)域不同位置的波形一致性和光束勻滑性能，提升了聚焦光斑焦斑性能的認(rèn)知，建立了多路激光集束光束勻滑及相干性的測(cè)試方法。由于條紋相機(jī)只是對(duì)焦斑的一個(gè)空間窄區(qū)域的時(shí)間分辨診斷，故激光焦斑二維高時(shí)間分辨測(cè)試技術(shù)是今后對(duì)于焦斑精密診斷需要開展的一個(gè)主要研究方向。

【 來源：強(qiáng)激光與粒子束36(9): 092001 參考文獻(xiàn)略】