Phasics波前传感器的应用案例（一）SID4在超快超强激光的前沿应用

Phasics的波前传感器凭借其卓越的精度和广泛的适用性，已成为全球超快、超强激光设施中的关键诊断工具。以下是一些近期应用实例，展示了SID4系列波前传感器在国际前沿科研中的应用场景及其对高能激光系统优化的贡献：

 

 

一

SID4在超快超强激光的前沿应用

1.1 对研究过程中因热效应引起的波前畸变分析-中国科学院上海光学精密机械研究所和中国科学院大学材料科学与光电工程中心

 

图1 多程激光放大系统

 

 

中国科学院上海光学精密机械研究所和中国科学院大学材料科学与光电工程中心的研发团队选择了Phasics SID4波前传感器，对研究过程中因热效应引起的波前畸变进行了高精度、多维度的测量和分项分析。SID4为团队深入了解热致畸变的成因、影响因素及具体分布特征提供了强有力的数据支撑，从而有效推动了激光系统性能优化与热管理改进的研究进程。

图2. 由热效应引起的波前畸变图(SID4图像)

 

 

高能量、高重复频率的固体激光系统近年来备受关注。在中国的神光SG装置和美国的国家点火装置（NIF）中，预放大模块通常是焦耳级的固体激光放大装置。上海光机所和中国科学院大学材料科学与光电工程中心的科研人员提出了一种采用Nd与K9玻璃端面键合结构的二极管端面泵浦激光放大器，实现了焦耳级放大、高光效及高能量提取效率。在9.02J泵浦下，通过十二程放大技术，输出能量达1.17 J（1 Hz，1053 nm），光-光转换效率13.01%，有效能量提取效率44.23%。K9玻璃的高热导率有效缓解了热致波前畸变问题，使整体波前畸变较未键合结构降低了14.29%，展现了键合结构在热管理优化中的优势。

 

 

1.2 对高功率激光系统进行优化-韩国光州科学技术学院

韩国光州科学技术学院（GIST）基础科学研究所和相对论激光科学中心采用Phasics SID4 HR波前传感器对高功率激光系统进行优化。

 

 

图3：激光驱动电子加速与太赫兹辐射示意图

 

 

该团队发表在Nature的文章中，探讨了利用激光尾波场加速（LWFA）产生高能太赫兹辐射，尤其是在使用氮气作为目标气体时表现尤为显著。通过引入Phasics SID4 HR波前传感器，研究团队精确测量出太赫兹辐射生成过程中的等离子体波前信息，优化电子加速和辐射输出。

 

 

Phasics产品能够帮助科学家更好地理解并控制等离子体加速过程中的光束特性，提升实验的精度和效率。

图4 a) 从Lanex 1获取的电子电荷  b) 从Lanex 2获取的电子峰值能量  c) 使用太赫兹热释电探测器（PED）测量的信号，均在不同的焦点位置（x轴）和气体背压（y轴）下测量。目标气体为100%氦气、97%氦气和3%氮气的混合物，以及100%氮气。d) 电子电荷（红线）、峰值能量（蓝线）和太赫兹信号（黑线）随压力变化。黑色星号代表图2中选定的数据。在a中，黑色条纹表示由于强电磁脉冲（EMP）未获取100%氮气数据

1.3 为激光系统提供高精度的波前检测-美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室

 

美国Lawrence Livermore国家实验室NIF项目正在进行的精密诊断系统升级中，Phasics SID4-HR波前传感器作为关键组件，正在为激光系统的波前检测提供前所未有的精度，支持先进激光系统的重调试和性能优化。

 

 

图5 通过拼接饱和和未饱和信号增强动态范围

精密诊断系统（PDS）是安装在国家点火装置（NIF）中的一套先进激光诊断工具，能够捕捉并诊断1053nm（1ω）光束，曾用于验证NIF的最终光学3Ω频率转换系统设计。PDS经过十多年未使用后重新启用并进行了增强，加入了Phasics的高分辨率波前成像、时间分辨的近场成像系统以及1ω光谱仪等新诊断工具，改善了对激光性能的理解和光束的表征，尤其是在光束间差异的分析上取得了进展。

1.4 提升中红外激光系统的光束质量-匈牙利ELI-ALPS研究中心

ELI-ALPS研究中心是匈牙利的一个世界级科研机构，致力于阿秒光脉冲和高强度激光领域的研究。它是极端光基础设施（ELI）项目的一部分，目标是通过超快光学技术探测超短时间尺度的物理现象。该研究中心主要支持物理、化学和生物等多个领域的前沿科学研究，聚焦于激光与物质相互作用的超快过程。

 

 

图6 超快脉冲展宽及热成像监测的诊断系统

在ELI-ALPS研究中心，Phasics SID4 DWIR波前传感器被用于100 kHz中红外OPCPA系统的波前和聚焦特性测试。Phasics帮助ELI-ALPS验证了系统的空间分辨能力和波前畸变，极大提升中红外激光系统的光束质量。

1.5 对相互作用腔中的焦点质量进行动态优化（精确测量和映射气体密度剖面）-罗马尼亚CETAL Petawatt装置

CETAL Petawatt拍瓦系统集成了Phasics的OASys自适应光学回路，并利用Phasics的SID4波前传感器对相互作用腔中的焦点质量进行动态优化。SID4在该系统中还被用于精确测量和映射气体密度剖面，为提高实验精度提供可靠支持。

 

 

二 

SID4波前传感器介绍

相位四波横向剪切干涉仪，称为SID4波前传感器，QWLSI技术是为了克服Shack-Hartmann (SH)技术的分辨率不足而开发的。它采用了智能衍射光栅设计，具有高灵敏度、高分辨率、高重复性的特点。

 

 

SID4波前传感器部分测试结果图

 

 

★什么是波前传感器? 

波前传感器是一种设计用来测量光波前的装置。术语“波前传感器”;适用于不需要任何参考光束干扰的波前测量仪器。波前传感器的应用范围很广，如光学测试和对准(表面测量)、传输波前误差测量、调制。

 

 

★QWLSI四波横向剪切干涉测量原理

四波横向剪切干涉测量(QWLSI原理) 具有纳米级灵敏度和高分辨率的相位和强度。这项创新技术依靠衍射光栅将入射光束复制成4个相同的波。经过几毫米的传播，4个波纹重叠并干涉，在检测器上产生干涉图。

 

 

★QWLSI四波横向剪切干涉技术优势

四波横向剪切干涉测量技术(QWLSI)，也被称为改进哈特曼掩模技术，是一种获得专利的波前传感技术。它以其高空间分辨率，无需中继透镜即可测量发散光束的能力和消色差而脱颖而出。该技术于2004年由Phasics在市场上推出，现在因其性能和易于集成而获得国际认可。

 

 

SID4波前传感器

图3 棋盘格网栅

三

190-400nm紫外波前传感器

四

400-1100nm可见光-近红外波前传感器

五
 

900-1700nm短波红外波前传感器

六
 

3-5 µm＆8-14 µm中红外波前传感器