光束質量

在強激光的應用中 , 如工業材料的激光加工 、激光功率空間輸運和慣性約束核聚變驅動器等 , 激光的作用效果主要取決於傳輸到目標上的功率密度 , 而目標上的功率密度不僅與激光輸出功率有關 , 也取決於激光束的質量 。因此 , 同功率一樣 , 光束質量也是決定強激光系統綜合性能的重要指標 。長期以來 ,強激光光束質量的評價一直沒有統一的標準和規範的測量方法 , 這給試驗鑑定帶來很大困難 , 給科學研究和工程應用帶來不便 。建立統一規範的光束質量的評價標準和測量方法 , 不僅能滿足測試和客觀 、準確評價系統性能的需要 , 而且必將促進我國強激光技術的發展和應用 ^[1]  。

對於激光光束質量的評價方法 ,國內外學者進行了深入研究 ,雖提出過多種評價和測量激光光束質量的方法,但未能建立起一套為各方普遍接受的評價參數和測量方法。隨着高能激光技術的不斷髮展和成熟 ,高能激光系統開始向工程化方向發展 ,為了更加客觀地評價高能激光系統在能量空間輸運應用中的作用效能 ,規範高能激光系統的評價標準和試驗檢驗標準 ,需要對高能激光系統的光束質量進行深入分析 ,以提出一套高能激光系統研究和試驗等工程應用上科學合理、方便實用的評價方法和測量方法 ^[2]  。

常用的光束質量的定義包括: 遠場光斑半徑、遠場發散角、衍射極限倍數 U 、斯特列爾比、 M2 因子、靶面上的功率或環圍能量比等。各種光束質量的定義對不同的應用目的 ,所反映光束質量的側重點也不同。 光束質量的好壞 ,應視具體應用目的做出評價 ^[2]  。

1)遠場發散角小的光束 ,其遠場光斑半徑則較大 ,這樣單獨用遠場光斑半徑或遠場發散角來評價光束質量是不夠全面的 ^[2]  。

2)衍射極限倍數 U值的測量依賴於對光束遠場光斑半徑的準確測量。由於強激光本身的因素和在強激光傳輸過程中眾多因素的影響 ,使得遠場光束的強度分佈中含有較多的高階空間頻率分量。強激光經衰減後用 CCD接收測量光斑半徑的辦法 ,很難探測到光斑的高階分量 ,相對的空間強度分佈很難反映出光斑的高階分量 ,所得的 U值不能真實反映光束由於高階彌散引起的能量損失。 所以 U值的準確測量要求對探測系統較高 ,為工程應用帶來較大的困難 ^[2]  。

3)對於低功率高斯型激光光束 ,用 M2 因子]定義光束能量 ,即光束光腰處光斑半徑與遠場發散角的乘積為一常數 ,避免了只用光斑半徑或遠場發散角作為光束質量的判據帶來的不確定性。但 M2 因子要求光斑半徑採用二階矩的定義 ,而且對測量儀器要求較高。由非穩腔產生的高能激光 ,輸出光束一般不規則 ,將不存在“光腰”。 對於能量分佈離散型光束 ,由二階矩定義計算得到的光斑半徑將與實際相差很遠。因此用 M2 因子評價高能激光的光束質量是不合適的 ^[2]  。

4)BQ值針對能量耦合型應用 ,結合光束在目標上的能量集中度進行光束質量的評價。 BQ值常用不同限孔能量測量法以及能對空間絕對能量分佈測量的探測系統進行測量 ,要求具備可直接接收高能激光的強光陣列探測器或靶盤儀 ^[2]  。

高能激光系統主要包括高能激光器和光束定向器兩大分系統,其中高能激光器是系統的核心 ,它的作用是產生功率高、能量大和光束質量好的激光光束 ;光束定向器的作用是對被攻擊目標進行捕獲、跟蹤和瞄準 ,同時也對激光器輸出的高能激光光束進行擴束、校正和發射 ,並儘可能保證發射光束質量較好的激光束 ^[2]  。

對高能激光系統光束質量的評價 ,需要分析每一個子系統的性能和由於傳播介質引起的光束性能的衰減等因素 ,所以必須在子系統界面上確定光束質量。高能激光系統包括激光器出口界面、光束定向器出口界面和靶面 ,這樣就決定了高能激光系統光束質量評價的環節 ;激光器出射光束的光束質量的評價 - 高能激光系統發射光束質量的評價 - 考慮大氣對高能激光作用後靶面上形成光斑的光束質量評價 ^[2]  。

在激光發展的歷史上 ,曾對不同應用目的提出多種參數以評價激光束的光束質量, 常用的有光束遠場發散角 θ、焦斑尺寸 、衍射極限倍數 β 、M 2 因子、S trehl 比和環圍功率比 BQ 值等,對這些評價標準的合理性和適用性 , 在學術界還頗有爭議。而且, 光束質量評價參數的不統一 ,造成應用中的不確定性乃至混亂 ^[1]  。
　　對常用的激光光束質量評價參數的合理性和適用性進行了分析 ,結果表明, 在理想光束有明確定義的條件下 ,衍射極限倍數 β 和環圍功率比 BQ 值是比較理想和實用的光束質量評價參數, 也是我們建議採用的評價標準 ^[1]  。衍射極限倍數 β 因子定義為:
　　β = θ/θ 0 ( 1)
　　式中 θ———被測實際光束的遠場發散角 ;θ 0 ———理想光束(也稱參考光束) 的遠場發散角 ^[1]  。
　　公式( 1) 表明,衍射極限倍數 β 以理想光束作為參照標準 ,表徵被測激光束的光束質量偏離同一條件下理想光束質量的程度, 其值不隨光束通過理想光學系統的變換而變化, 因而可以從本質上反映光束質量。同時只要光束不是太寬 , β 因子的準確測定一般也比較方便 ^[1]  。環圍功率比 BQ 值被定義為:BQ =P0/P ( 2)
　　式中 P0 ———靶目標上規定尺寸內理想光束光斑環圍功率;P ———被測實際光束光斑環圍功率 ^[1]  。
　　這裏理想光束取為與被測光束具有相同發射孔徑的均勻光束 ,其發射光強等於實際光束平均強度 。由上述定義,環圍功率比 BQ 值直觀反映目標上光束的能量集中度 ,因此最適合於評價目標處的光束質量 ^[1]  。

在強激光應用中 ,要將激光輸出能量最大限度地集中到目標上 。因此, 強激光系統除了高能激光器外,還需要有能把激光束擴束 、校正 、發射到遠場並聚焦在目標上的光束控制系統( 也稱光束定向器) 。強激光光束質量的本質最終反映在遠場靶目標處光束的能量集中程度。激光束在傳輸到靶目標上之前 ,要經過光束控制系統的多次光學變換和較長距離的大氣傳輸 ,在這個過程中, 由於實際傳輸和變換的非理想性 ,每一環節都會使激光束的光束質量退化。因此影響強激光的光束質量 ,從而決定最終作用效果的因素除了激光器本身外,還有光束控制系統以及大氣傳輸 ^[1]  。
　　為此, 對強激光光束質量的評價應包括依次對高能激光器輸出光束質量、強激光系統發射光束質量和靶目標處光束質量的評價。這種評價程序有利於分析和發現影響強激光光束質量主要原因 ,可直接反映激光器在輸出光束質量方面的性能優劣。發射光束質量則是激光器性能和光束控制系統傳輸性能的綜合體現 。而靶目標處的光束質量不僅取決於強激光系統的性能 ,還包含了大氣湍流和熱暈效應等對強激光傳輸的影響 ^[1]  。

不管是衍射極限倍數 β 值的測定, 還是環圍功率比 BQ 值的測定,最後都歸結為聚焦光斑光強分佈的測量( 參見後續分析),為此首先討論強激光光斑的測量方法 ,其測量方法多種, 下面主要介紹和評述燒蝕法 、CCD 測量法以及專用的強激光光斑面陣探測器等 ^[1]  。
　　( 1) 燒蝕法
　　用被測激光在一定時間內輻照已知燒蝕能的材料 ,測量材料上產生燒蝕分佈, 結合燒蝕深度、輻照時間 、材料密度和燒蝕能便可計算材料上的激光光強分佈 。由被燒蝕掉的材料質量,通過標定還可以得到激光的輸出功率。可見採用這種方法需要一種在輻照條件下已知燒蝕熱的材料 ,而且該材料在燒蝕機理上最好是高度一維的 。例如對於 CO 2 激光和氟化氫 、氟化氘化學激光器可採用有機玻璃作為燒蝕材料 。這種方法存在的另一個問題是標校比較複雜 ^[1]  。
　　( 2) CCD 測量法
　　在利用紅外 CCD 測量強激光光斑時 , 通常是把強激光分光取樣並進一步衰減後用紅外 CCD 直接接收光束測量 ,得到低功率光強分佈 , 再由圖像處理系統分析處理後得到各種光束特性參數 。另外通過標校後還可以得到絕對光強分佈 。這種方法的缺點在於將強激光大幅度衰減後 ,光強分佈的大量高階分量被濾掉 ,從而無法得到完整的光強分佈和準確的光斑尺寸 , 測量誤差很大 ,也可以利用紅外 CCD 相機拍攝強激光照射在漫反射屏上的光斑以得到相對的空間光強分佈 , 如果經過標校還可以得到絕對光強分佈 。這種測量方法除了存在上述 CCD 直接接收測量法的缺點外 ,還存在着因各方向漫反射不均勻帶來的測量誤差以及標校更困難的問題 。美國空軍武器實驗室研製了專用測量強激光光強分佈的金屬靶盤, 用被測激光照射已知熱傳導性質的薄金屬靶盤 , 通過測量靶盤後表面上各點的温度和照射時間 , 便可求得靶盤上激光強度分佈 。對靶盤材料的要求是能經得起強激光照射 、響應快 , 在數據採樣時間內熱傳導是高度一維的 ,這樣就可以將靶盤後表面上任意一點的響應直接和前表面對應點的輻射聯繫起來 。對於 30 μ m 厚的靶盤 , 當吸收的激光束強度低於 1 . 4 kW/cm2 時 , 可用鋼盤( SS304) , 吸收量為 2 kW/cm2 水平時 ,可用鎳盤( Ni200), 若盤吸收量超過 7 kW/cm2 ,則可採用傾斜靶盤的方法 。對於不同的光強水平 ,靶盤前表面上採用不同的塗層 ,如石墨等 。利用靶盤技術可以測量的光強範圍為 50W/cm2 ～ 912 kW/cm2 。標準靶盤測量誤差隨峯功率密度增加而增加 ,當激光功率密度為 50 ～ 400 W/cm2時其測量誤差相應為 7 %～ 9 . 5 % ^[1]  。
　　( 3) 光斑陣列探測器國內曾研製了專用的量熱型強激光光斑陣列探測器。該探測器陣列由 252 個探測單元構成 ,利用它可以直接測量強激光光斑能量分佈 。此外 ,還研製了 32 單元快響應強激光測試系統原理樣機, 通過衰減強激光采用光電二極管探測 ,提高了響應速度 ,從而可以測量瞬時光強分佈 ^[1]  。

高能激光器光束質量的測量：
　　在實際測量光束的衍射極限倍數時 ,通常採用近場方法 ,即利用一個聚焦光學系統將被測激光束聚焦或用擴束聚焦系統將光束擴束聚焦後 ,在焦平面上測量光束寬度 w f ,利用 :θ= w f/ f ( 3)求得遠場發散角( 這裏 f 為聚焦光學系統焦距), 再按定義計算得到衍射極限倍數 β ^[1]  。
　　然而對於高能激光器 ,因為直接輸出的激光功率過高 ,設功率為 104 W ,光束直徑為 Υ為 100 mm , 則相應的平均光強約達 120 W/cm2 , 聚焦後約增 8 個量級 。對於這樣的光強水平 ,任何光學元件和探測器件都要被燒壞 , 所以不能直接聚焦測量 ,而需要對輸出光束分光取樣並進一步衰減後再聚焦 。根據衰減聚焦後的光強水平不同 , 可用紅外 CCD 直接接收測量焦平面上的光斑或對焦面處漫反射屏上的光斑成像( 為了避免探測器飽和 , 有時還需要利用衰減片對漫反射光進一步衰減後才能測量), 最後通過圖像處理系統對低功率光斑圖像進行分析處理後得到焦斑半徑 ^[1]  。

發射光束質量的測量
　　由於發射望遠鏡本身就是一個擴束聚焦系統 , 因此可用於測量發射望遠鏡處光束的衍射極限倍數 β 。測量時 , 為儘可能排除大氣影響 , 把發射望遠鏡焦距調至最短 ,在焦平面上測量光斑並得到光斑半徑 , 利用公式( 1) 和( 3) 求得 β ,公式( 3) 中 f 為此時發射望遠鏡系統的焦距 。這時的 β 值是由激光器性能和光束控制系統的光學質量共同決定的 ,它標誌着整個強激光系統的發射光束質量 。對於上述測量發射光束質量的方法 ,由於發射望遠鏡調焦範圍有限 , 其最短焦距仍有一定長度 , 在這段光路上大氣湍流和熱暈效應等對光束質量會有明顯影響 ,所以需要對測量結果加以修正 ^[1]  。

靶目標處光束質量的測量
　　在強激光的應用中, 通常是將發射系統調焦至目標上, 使目標上得到最大功率密度 , 以達到最大作用效果 。因此與測量發射光束質量類似, 原則上可以通過測量靶目標上焦斑光強分佈得到束寬, 利用公式( 1) 和( 3) 求得目標處光束的衍射極限倍數 β , 此時望遠鏡的焦距也即光束傳輸距離。此時的焦斑尺寸是激光束經過遠距離大氣傳輸後得到的焦斑尺寸,包含了大氣湍流和熱暈效應等引起的光束擴展,所以相應的衍射極限倍數 β 反映了大氣傳輸對光束質量的影響 ^[1]  。
　　儘管原則上在靶目標處仍然可採用衍射極限倍數 β 衡量光束質量 ,但是在實際應用中, 一方面因為焦斑尺寸隨傳輸距離地增大而增大 ,當靶目標距離比較遠時 ,焦斑尺寸遠大於探測器接收面 ; 另一方面由於高能激光器腔模的非理想性 ,光束控制系統的非理想變換以及大氣傳輸過程中的各種線性和非線性效應,導致遠場目標處的光束擴展非常嚴重 ,光場分佈極其複雜 , 其中含有大量高階空間頻率分量。這些高階分量的強度遠小於峯值強度 ,利用通常的光強分佈測量方法, 如燒蝕法 、CCD 測量法或專用的強激光光斑面陣探測器, 由於受靈敏度 、測量動態範圍 、探測面尺寸等所限 ,實際上不可能探測出來 ,但所有這些高階分量加起來在光束總能量中佔有相當大的比例。在這種情況下不可能得到完整的光強分佈,也不可能得到準確的焦斑尺寸和相應的衍射極限倍數 β 。所以在遠場靶目標處 ,實際上無法準確測量衍射極限倍數 。
　　為此 ,在評價遠場目標處的光束質量 ^[1]  時只能採用BQ 值指標 。實際上 ,評價靶目標處光束質量時採用BQ 值的最大優點在於,它的測定只需要測量靶目標上一定規範尺寸內的能量值, 無需整個光斑的能量分佈信息,比測定衍射極限倍數容易得多 。為此建議在評價遠距離靶目標處的光束質量時 ,統一採用一定規範尺寸的環圍功率比 BQ 值作為評價指標 。決定遠場靶目標上激光功率密度的因素很多 ,如激光發射功率、光束質量和傳輸距離等 ,另外不同應用目的對光強水平的要求也不同 。所以靶目標處激光光強分佈應根據具體情況和實際光強水平 ,採用能探測相應光強水平的方法或面陣探測器來測量 ^[1]  。