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Phasics波前傳感器的應(yīng)用案例（一）SID4在超快激光的前沿應(yīng)用

Phasics的波前傳感器憑借其精度和廣泛的適用性，已成為超快激光設(shè)施中的關(guān)鍵診斷工具。以下是一些近期應(yīng)用實(shí)例，展示了SID4系列波前傳感器在國際前沿科研中的應(yīng)用場景及其對高能激光系統(tǒng)優(yōu)化的貢獻(xiàn)：

一、SID4在超快激光的前沿應(yīng)用

1.1對研究過程中因熱效應(yīng)引起的波前畸變分析-中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心

圖1 多程激光放大系統(tǒng)

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了Phasics SID4波前傳感器，對研究過程中因熱效應(yīng)引起的波前畸變進(jìn)行了高精度、多維度的測量和分項(xiàng)分析。SID4為團(tuán)隊(duì)深入了解熱致畸變的成因、影響因素及具體分布特征提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，從而有效推動(dòng)了激光系統(tǒng)性能優(yōu)化與熱管理改進(jìn)的研究進(jìn)程。

圖2. 由熱效應(yīng)引起的波前畸變圖(SID4圖像)

高能量、高重復(fù)頻率的固體激光系統(tǒng)近年來備受關(guān)注。在中國的神光SG裝置和美國的guo家點(diǎn)火裝置（NIF）中，預(yù)放大模塊通常是焦耳級的固體激光放大裝置。上海光機(jī)所和中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心的科研人員提出了一種采用Nd與K9玻璃端面鍵合結(jié)構(gòu)的二極管端面泵浦激光放大器，實(shí)現(xiàn)了焦耳級放大、高光效及高能量提取效率。在9.02J泵浦下，通過十二程放大技術(shù)，輸出能量達(dá)1.17 J（1 Hz，1053 nm），光-光轉(zhuǎn)換效率13.01%，有效能量提取效率44.23%。K9玻璃的高熱導(dǎo)率有效緩解了熱致波前畸變問題，使整體波前畸變較未鍵合結(jié)構(gòu)降低了14.29%，展現(xiàn)了鍵合結(jié)構(gòu)在熱管理優(yōu)化中的優(yōu)勢。

1.2對高功率激光系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化-韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院

韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院（GIST）基礎(chǔ)科學(xué)研究所和相對論激光科學(xué)中心采用Phasics SID4 HR波前傳感器對高功率激光系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3：激光驅(qū)動(dòng)電子加速與太赫茲輻射示意圖

該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature的文章中，探討了利用激光尾波場加速（LWFA）產(chǎn)生高能太赫茲輻射，尤其是在使用氮?dú)庾鳛槟繕?biāo)氣體時(shí)表現(xiàn)尤為顯著。通過引入Phasics SID4 HR波前傳感器，研究團(tuán)隊(duì)精確測量出太赫茲輻射生成過程中的等離子體波前信息，優(yōu)化電子加速和輻射輸出。

Phasics產(chǎn)品能夠幫助科學(xué)家更好地理解并控制等離子體加速過程中的光束特性，提升實(shí)驗(yàn)的精度和效率。

圖4 a) 從Lanex 1獲取的電子電荷  b) 從Lanex 2獲取的電子峰值能量  c) 使用太赫茲熱釋電探測器（PED）測量的信號，均在不同的焦點(diǎn)位置（x軸）和氣體背壓（y軸）下測量。目標(biāo)氣體為100%氦氣、97%氦氣和3%氮?dú)獾幕旌衔铮约?00%氮?dú)狻?/p>

d) 電子電荷（紅線）、峰值能量（藍(lán)線）和太赫茲信號（黑線）隨壓力變化。黑色星號代表圖2中選定的數(shù)據(jù)。在a中，黑色條紋表示由于強(qiáng)電磁脈沖（EMP）未獲取100%氮?dú)鈹?shù)據(jù)

1.3為激光系統(tǒng)提供高精度的波前檢測-美國勞倫斯利弗莫爾guo家實(shí)驗(yàn)室

美國Lawrence Livermore國jia實(shí)驗(yàn)室NIF項(xiàng)目正在進(jìn)行的精密診斷系統(tǒng)升級中，Phasics SID4-HR波前傳感器作為關(guān)鍵組件，正在為激光系統(tǒng)的波前檢測提供精度，支持激光系統(tǒng)的重調(diào)試和性能優(yōu)化。

圖5 通過拼接飽和和未飽和信號增強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍

精密診斷系統(tǒng)（PDS）是安裝在guo家點(diǎn)火裝置（NIF）中的一套激光診斷工具，能夠捕捉并診斷1053nm（1ω）光束，曾用于驗(yàn)證NIF的zui終光學(xué)3Ω頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PDS經(jīng)過十多年未使用后重新啟用并進(jìn)行了增強(qiáng)，加入了Phasics的高分辨率波前成像、時(shí)間分辨的近場成像系統(tǒng)以及1ω光譜儀等新診斷工具，改善了對激光性能的理解和光束的表征，尤其是在光束間差異的分析上取得了進(jìn)展。

1.4提升中紅外激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量-匈牙利ELI-ALPS研究中心

ELI-ALPS研究中心是匈牙利的一個(gè)shi界級科研機(jī)構(gòu)，致力于阿秒光脈沖和高強(qiáng)度激光領(lǐng)域的研究。它是ji端光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）項(xiàng)目的一部分，目標(biāo)是通過超快光學(xué)技術(shù)探測超短時(shí)間尺度的物理現(xiàn)象。該研究中心主要支持物理、化學(xué)和生物等多個(gè)領(lǐng)域的前沿科學(xué)研究，聚焦于激光與物質(zhì)相互作用的超快過程。

圖6 超快脈沖展寬及熱成像監(jiān)測的診斷系統(tǒng)

在ELI-ALPS研究中心，Phasics SID4 DWIR波前傳感器被用于100 kHz中紅外OPCPA系統(tǒng)的波前和聚焦特性測試。Phasics幫助ELI-ALPS驗(yàn)證了系統(tǒng)的空間分辨能力和波前畸變，極大提升中紅外激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量。

1.5對相互作用腔中的焦點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化（精確測量和映射氣體密度剖面）-羅馬尼亞CETAL Petawatt裝置

CETAL Petawatt拍瓦系統(tǒng)集成了Phasics的OASys自適應(yīng)光學(xué)回路，并利用Phasics的SID4波前傳感器對相互作用腔中的焦點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。SID4在該系統(tǒng)中還被用于精確測量和映射氣體密度剖面，為提高實(shí)驗(yàn)精度提供可靠支持。

二、SID4波前傳感器介紹

相位四波橫向剪切干涉儀，稱為SID4波前傳感器，QWLSI技術(shù)是為了克服Shack-Hartmann (SH)技術(shù)的分辨率不足而開發(fā)的。它采用了智能衍射光柵設(shè)計(jì)，具有高靈敏度、高分辨率、高重復(fù)性的特點(diǎn)。

圖1 SID4波前傳感器部分測試結(jié)果圖

★什么是波前傳感器?

波前傳感器是一種設(shè)計(jì)用來測量光波前的裝置。術(shù)語“波前傳感器";適用于不需要任何參考光束干擾的波前測量儀器。波前傳感器的應(yīng)用范圍很廣，如光學(xué)測試和對準(zhǔn)(表面測量)、傳輸波前誤差測量、調(diào)制。

★QWLSI四波橫向剪切干涉測量原理

四波橫向剪切干涉測量(QWLSI原理) 具有納米級靈敏度和高分辨率的相位和強(qiáng)度。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)依靠衍射光柵將入射光束復(fù)制成4個(gè)相同的波。經(jīng)過幾毫米的傳播，4個(gè)波紋重疊并干涉，在檢測器上產(chǎn)生干涉圖。

★QWLSI四波橫向剪切干涉技術(shù)優(yōu)勢

四波橫向剪切干涉測量技術(shù)(QWLSI)，也被稱為改進(jìn)哈特曼掩模技術(shù)。它以其高空間分辨率，無需中繼透鏡即可測量發(fā)散光束的能力和消色差而脫穎而出。該技術(shù)于2004年由Phasics在市場上推出，現(xiàn)在因其性能和易于集成而獲得國際認(rèn)可。

圖2 SID4波前傳感器

圖3 棋盤格網(wǎng)柵

三、190-400nm紫外波前傳感器

四、400-1100nm可見光-近紅外波前傳感器

五、900-1700nm短波紅外波前傳感器

六、 3-5 µm＆8-14 µm中紅外波前傳感器

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