基于离轴像差的B积分测量方法用于高功率激光装置

《High Power Laser Science and Engineering》：Off-axis aberration-based B-integral measurement method for a high-power laser facility

　　

研究人员提出了一种基于离轴像差表征的空间分辨B积分测量方法，用于高功率激光驱动器。理论分析证实了该方法的可行性与高精度，其原理是通过在激光系统中故意引入彗差形状的强度调制，从而在输出光束上印刻出具有相应像差分布的非线性相位调制。然后利用夏克-哈特曼（Shack–Hartmann）传感器测量输出光束的彗差分量，从而提取B积分。实验结果表明，对于彗差像差，测量的B积分值与模拟值之间的偏差为5.8%，说明所提方法在误差降低方面显著优于基于离焦的测量方法（误差67.4%）。该方法无需修改激光装置，具备单次测量能力，且可实现高精度和出色的重复性。波前相位畸变的直接量化为高功率激光系统中的非线性相位调制诊断提供了一种实用解决方案。

在高功率激光装置中，惯性约束聚变（ICF）等研究对激光输出能量和功率提出了严苛要求。强激光在光学介质中传输时，光克尔效应导致折射率随光强变化，产生非线性相位调制，其累积量由B积分（B-integral）表征。过高的B积分会加剧波前畸变和近场强度调制，损害光束质量，甚至引发光学元件损伤。因此，美国国家点火装置（NIF）将级间B积分ΔB限制在1.8 rad以下，全系统B积分ΣB限制在3.5 rad以下。实时、精准地监测B积分对装置的安全运行和性能提升至关重要。

现有B积分测量方法主要包括时域干涉法和光谱调制法。时域干涉法需要引入干涉仪产生延迟脉冲，虽精度可达0.1 rad，但需改造光路且对信噪比要求高；光谱调制法利用展宽光谱中的非线性畸变，覆盖能量范围广，但存在约±20%的测量不确定度并依赖高成本的高分辨率光谱仪。NIF曾采用空间强度调制法，通过施加逆向高斯强度分布测量输出波前，实现约15%的误差，但该方法基于同轴相位调制，在横向像差发次间波动较大时难以通过平均有效补偿。为克服同轴像差不稳定性带来的误差，研究人员提出了基于离轴像差表征的B积分测量新方法：利用在激光系统中更稳定的彗差作为参考，通过人为引入彗差形状的强度调制，使非线性相位携带相应的彗差分量，再由波前传感器提取该分量反演B积分。相关成果发表于《High Power Laser Science and Engineering》。

在关键技术方面，研究人员采用振幅型液晶空间光调制器（amplitude-type LC-SLM）对光束施加彗差图案和反向高斯图案的强度调制，以夏克-哈特曼波前传感器（Shack–Hartmann sensor）获取输出波前。通过Zernike多项式拟合分离出彗差或离焦分量，并扣除多幅低能量发次的平均波前以消除线性像差，得到非线性相位贡献。从单发次的强度–相位关系曲线即可读取不同功率密度下的B积分。离线可行性验证阶段还使用了相位型LC-SLM模拟相应像差。实验在SG-II激光装置损伤测试平台上进行，输出参数为30 J@3 ns、波长1053 nm，脉冲为平顶时间波形。

研究结果部分，首先阐述了基于彗差像差的B积分测试可行性分析（2.3节）。通过搭建离线测试光路，利用相位型LC-SLM分别加载不同灰度级别的离焦和彗差相位图案，夏克-哈特曼传感器测量结果表明，随着灰度等级从1到10变化，提取的离焦和彗差峰谷（PV）值分别可达5.98 rad和6.02 rad，传感器精度达0.001 rad，充分验证了该传感器对彗差相位空间变化的灵敏度和准确性，为B积分提取奠定了实验基础。

随后，在SG-II高功率激光装置上开展了实验验证（第3节）。计算表明，当系统输出30 J时，级联放大器的总B积分理论值为0.6196 rad，且预计在1 GW/cm2功率密度下将引入0.304 rad的B积分。实验采用振幅型LC-SLM分别生成无调制、彗差遮挡和逆向高斯遮挡三种强度分布，并保证最小透过率约10%。在高功率发次前，先采集三幅低能量波前图像作为静态背景。

结果与讨论（第4节）指出，彗差调制下，高峰值功率密度1.24 GW/cm2对应的B积分测量值为0.355 rad，与模拟结果仅偏差5.8%；而反向高斯调制在峰值功率密度1.14 GW/cm2下测得0.581 rad，偏差高达67.4%。彗差调制方案的强度–相位关系呈现良好的线性，单发次数据即可推算出系统在不同功率密度下的B积分；反向高斯调制的强度–相位曲线则线性拟合误差大，且两曲线的曲率差异显著。彗差方案的优越性源于激光系统在设计时对离轴像差已进行了优化，彗差项在不同发次间的波动极小，扣除背景后几乎不受发次不稳定性影响；同时，彗差作为Zernike多项式中的初级像差，其正交性优于离焦项，因而拟合系数更精确。反向高斯调制则对离焦深度、调制图案与束腰中心的错位高度敏感，导致Zernike分解误差显著增大。两种方案共有的误差源包括光路中的气流扰动、瞬时泵浦导致的像差变化以及光斑强度分布不均匀等。此外，非线性折射率n₂的取值不确定性也会影响模拟精度。

研究结论（第5节）指出，该研究提出了一种基于系统像差分析的B积分测量新方法，通过提取波前的彗差分量来获取B积分。该方法对光束施加彗差状强度调制，利用克尔效应在输出相位中引入彗差调制，进而由彗差相位变化确定系统B积分。相比轴向像差调制（如离焦），离轴像差调制（如彗差）能够克服不同发次间的像差不稳定性，从而实现更精确的B积分提取。主要误差来源包括光斑强度分布不均匀以及调制图案与光斑中心的对准。为进一步提升精度，研究人员计划优化调制图案以消除强度分布的尖峰、提高图案位置精度，并通过提升装置分辨率消除主要噪声源，从而为SG-II系统提供更可靠的B积分实时监测。