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

Phasics的波前傳感器憑借其卓越的精度和廣泛的適用性，已成為超快、超強激光設(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：

一、SID4在超快超強激光的前沿應(yīng)用

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

圖1 多程激光放大系統(tǒng)

中國科學院上海光學精密機械研究所和中國科學院大學材料科學與光電工程中心的研發(fā)團隊選擇了Phasics SID4波前傳感器，對研究過程中因熱效應(yīng)引起的波前畸變進行了高精度、多維度的測量和分項分析。SID4為團隊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有力的數(shù)據(jù)支撐，從而有效推動了激光系統(tǒng)性能優(yōu)化與熱管理改進的研究進程。

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。上海光機所和中國科學院大學材料科學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)進行優(yōu)化-韓國光州科學技術(shù)學院

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

圖3：激光驅(qū)動電子加速與太赫茲輻射示意圖

該團隊發(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，尤其是在使用氮氣作為目標氣體時表現(xiàn)尤為顯著。通過引入Phasics SID4 HR波前傳感器，研究團隊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，提升實驗的精度和效率。

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，均在不同的焦點位置（x軸）和氣體背壓（y軸）下測量。目標氣體為100%氦氣、97%氦氣和3%氮氣的混合物，以及100%氮氣。

d) 電子電荷（紅線）、峰值能量（藍線）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電磁脈沖（EMP）未獲取100%氮氣數(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家實驗室

美國Lawrence Livermore國jia實驗室NIF項目正在進行的精密診斷系統(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)的波前檢測提供前所未有的精度，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動態(tài)范圍

精密診斷系統(tǒng)（PDS）是安裝在guo家點火裝置（NIF）中的一套激光診斷工具，能夠捕捉并診斷1053nm（1ω）光束，曾用于驗證NIF的zui終光學3Ω頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計。PDS經(jīng)過十多年未使用后重新啟用并進行了增強，加入了Phasics的高分辨率波前成像、時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shi界級科研機構(gòu)，致力于阿秒光脈沖和高強度激光領(lǐng)域的研究。它是ji端光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）項目的一部分，目標是通過超快光學技術(shù)探測超短時間尺度的物理現(xiàn)象。該研究中心主要支持物理、化學和生物等多個領(lǐng)域的前沿科學研究，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質(zhì)量進行動態(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)光學回路，并利用Phasics的SID4波前傳感器對相互作用腔中的焦點質(zhì)量進行動態(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，為提高實驗精度提供可靠支持。

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，具有高靈敏度、高分辨率、高重復(fù)性的特點。

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，如光學測試和對準(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度。這項創(chuàng)新技術(shù)依靠衍射光柵將入射光束復(fù)制成4個相同的波。經(jīng)過幾毫米的傳播，4個波紋重疊并干涉，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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