常用的光束质量的定义包括: 远场光斑半径、远场发散角、衍射极限倍数 U 、斯特列尔比、 M2 因子、靶面上的功率或环围能量比等。

在强激光的应用中 , 如工业材料的激光加工 、激光功率空间输运和惯性约束核聚变驱动器等 , 激光的作用效果主要取决于传输到目标上的功率密度 , 而目标上的功率密度不仅与激光输出功率有关 , 也取决于激光束的质量 。因此 , 同功率一样 , 光束质量也是决定强激光系统综合性能的重要指标 。长期以来 ,强激光光束质量的评价一直没有统一的标准和规范的测量方法 , 这给试验鉴定带来很大困难 , 给科学研究和工程应用带来不便 。建立统一规范的光束质量的评价标准和测量方法 , 不仅能满足测试和客观 、准确评价系统性能的需要 , 而且必将促进我国强激光技术的发展和应用 。

对于激光光束质量的评价方法 ,国内外学者进行了深入研究 ,虽提出过多种评价和测量激光光束质量的方法,但未能建立起一套为各方普遍接受的评价参数和测量方法。随着高能激光技术的不断发展和成熟 ,高能激光系统开始向工程化方向发展 ,为了更加客观地评价高能激光系统在能量空间输运应用中的作用效能 ,规范高能激光系统的评价标准和试验检验标准 ,需要对高能激光系统的光束质量进行深入分析 ,以提出一套高能激光系统研究和试验等工程应用上科学合理、方便实用的评价方法和测量方法。

常用的光束质量的定义包括: 远场光斑半径、远场发散角、衍射极限倍数 U 、斯特列尔比、 M2 因子、靶面上的功率或环围能量比等。各种光束质量的定义对不同的应用目的 ,所反映光束质量的侧重点也不同。 光束质量的好坏 ,应视具体应用目的做出评价。

1)远场发散角小的光束 ,其远场光斑半径则较大 ,这样单独用远场光斑半径或远场发散角来评价光束质量是不够全面的。

2)衍射极限倍数 U值的测量依赖于对光束远场光斑半径的准确测量。由于强激光本身的因素和在强激光传输过程中众多因素的影响 ,使得远场光束的强度分布中含有较多的高阶空间频率分量。强激光经衰减后用 CCD接收测量光斑半径的办法 ,很难探测到光斑的高阶分量 ,相对的空间强度分布很难反映出光斑的高阶分量 ,所得的 U值不能真实反映光束由于高阶弥散引起的能量损失。 所以 U值的准确测量要求对探测系统较高 ,为工程应用带来较大的困难。

3)对于低功率高斯型激光光束 ,用 M2 因子]定义光束能量 ,即光束光腰处光斑半径与远场发散角的乘积为一常数 ,避免了只用光斑半径或远场发散角作为光束质量的判据带来的不确定性。但 M2 因子要求光斑半径采用二阶矩的定义 ,而且对测量仪器要求较高。由非稳腔产生的高能激光 ,输出光束一般不规则 ,将不存在“光腰”。 对于能量分布离散型光束 ,由二阶矩定义计算得到的光斑半径将与实际相差很远。因此用 M2 因子评价高能激光的光束质量是不合适的。

4)BQ值针对能量耦合型应用 ,结合光束在目标上的能量集中度进行光束质量的评价。 BQ值常用不同限孔能量测量法以及能对空间绝对能量分布测量的探测系统进行测量 ,要求具备可直接接收高能激光的强光阵列探测器或靶盘仪。

高能激光系统主要包括高能激光器和光束定向器两大分系统,其中高能激光器是系统的核心 ,它的作用是产生功率高、能量大和光束质量好的激光光束 ;光束定向器的作用是对被攻击目标进行捕获、跟踪和瞄准 ,同时也对激光器输出的高能激光光束进行扩束、校正和发射 ,并尽可能保证发射光束质量较好的激光束。

对高能激光系统光束质量的评价 ,需要分析每一个子系统的性能和由于传播介质引起的光束性能的衰减等因素 ,所以必须在子系统界面上确定光束质量。高能激光系统包括激光器出口界面、光束定向器出口界面和靶面 ,这样就决定了高能激光系统光束质量评价的环节 ;激光器出射光束的光束质量的评价 - 高能激光系统发射光束质量的评价 - 考虑大气对高能激光作用后靶面上形成光斑的光束质量评价。

在激光发展的历史上 ,曾对不同应用目的提出多种参数以评价激光束的光束质量, 常用的有光束远场发散角 θ、焦斑尺寸 、衍射极限倍数 β 、M 2 因子、S trehl 比和环围功率比 BQ 值等,对这些评价标准的合理性和适用性 , 在学术界还颇有争议。而且, 光束质量评价参数的不统一 ,造成应用中的不确定性乃至混乱。

对常用的激光光束质量评价参数的合理性和适用性进行了分析 ,结果表明, 在理想光束有明确定义的条件下 ,衍射极限倍数 β 和环围功率比 BQ 值是比较理想和实用的光束质量评价参数, 也是我们建议采用的评价标准 。衍射极限倍数 β 因子定义为:

β = θ/θ 0 ( 1)

式中 θ———被测实际光束的远场发散角 ;θ 0 ———理想光束(也称参考光束) 的远场发散角。

公式( 1) 表明,衍射极限倍数 β 以理想光束作为参照标准 ,表征被测激光束的光束质量偏离同一条件下理想光束质量的程度, 其值不随光束通过理想光学系统的变换而变化, 因而可以从本质上反映光束质量。同时只要光束不是太宽 , β 因子的准确测定一般也比较方便 。环围功率比 BQ 值被定义为:BQ =P0/P ( 2)

式中 P0 ———靶目标上规定尺寸内理想光束光斑环围功率;P ———被测实际光束光斑环围功率 。

这里理想光束取为与被测光束具有相同发射孔径的均匀光束 ,其发射光强等于实际光束平均强度 。由上述定义,环围功率比 BQ 值直观反映目标上光束的能量集中度 ,因此最适合于评价目标处的光束质量。

在强激光应用中 ,要将激光输出能量最大限度地集中到目标上 。因此, 强激光系统除了高能激光器外,还需要有能把激光束扩束 、校正 、发射到远场并聚焦在目标上的光束控制系统( 也称光束定向器) 。强激光光束质量的本质最终反映在远场靶目标处光束的能量集中程度。激光束在传输到靶目标上之前 ,要经过光束控制系统的多次光学变换和较长距离的大气传输 ,在这个过程中, 由于实际传输和变换的非理想性 ,每一环节都会使激光束的光束质量退化。因此影响强激光的光束质量 ,从而决定最终作用效果的因素除了激光器本身外,还有光束控制系统以及大气传输。

为此, 对强激光光束质量的评价应包括依次对高能激光器输出光束质量、强激光系统发射光束质量和靶目标处光束质量的评价。这种评价程序有利于分析和发现影响强激光光束质量主要原因 ,可直接反映激光器在输出光束质量方面的性能优劣。发射光束质量则是激光器性能和光束控制系统传输性能的综合体现 。而靶目标处的光束质量不仅取决于强激光系统的性能 ,还包含了大气湍流和热晕效应等对强激光传输的影响。

光斑的测量方法：

不管是衍射极限倍数 β 值的测定, 还是环围功率比 BQ 值的测定,最后都归结为聚焦光斑光强分布的测量( 参见后续分析),为此首先讨论强激光光斑的测量方法 ,其测量方法多种, 下面主要介绍和评述烧蚀法 、CCD 测量法以及专用的强激光光斑面阵探测器等。

( 1) 烧蚀法

用被测激光在一定时间内辐照已知烧蚀能的材料 ,测量材料上产生烧蚀分布, 结合烧蚀深度、辐照时间 、材料密度和烧蚀能便可计算材料上的激光光强分布 。由被烧蚀掉的材料质量,通过标定还可以得到激光的输出功率。可见采用这种方法需要一种在辐照条件下已知烧蚀热的材料 ,而且该材料在烧蚀机理上最好是高度一维的 。例如对于 CO 2 激光和氟化氢 、氟化氘化学激光器可采用有机玻璃作为烧蚀材料 。这种方法存在的另一个问题是标校比较复杂 。

( 2) CCD 测量法

在利用红外 CCD 测量强激光光斑时 , 通常是把强激光分光取样并进一步衰减后用红外 CCD 直接接收光束测量 ,得到低功率光强分布 , 再由图像处理系统分析处理后得到各种光束特性参数 。另外通过标校后还可以得到绝对光强分布 。这种方法的缺点在于将强激光大幅度衰减后 ,光强分布的大量高阶分量被滤掉 ,从而无法得到完整的光强分布和准确的光斑尺寸 , 测量误差很大 ,也可以利用红外 CCD 相机拍摄强激光照射在漫反射屏上的光斑以得到相对的空间光强分布 , 如果经过标校还可以得到绝对光强分布 。这种测量方法除了存在上述 CCD 直接接收测量法的缺点外 ,还存在着因各方向漫反射不均匀带来的测量误差以及标校更困难的问题 。美国空军武器实验室研制了专用测量强激光光强分布的金属靶盘, 用被测激光照射已知热传导性质的薄金属靶盘 , 通过测量靶盘后表面上各点的温度和照射时间 , 便可求得靶盘上激光强度分布 。对靶盘材料的要求是能经得起强激光照射 、响应快 , 在数据采样时间内热传导是高度一维的 ,这样就可以将靶盘后表面上任意一点的响应直接和前表面对应点的辐射联系起来 。对于 30 μ m 厚的靶盘 , 当吸收的激光束强度低于 1 . 4 kW/cm2 时 , 可用钢盘( SS304) , 吸收量为 2 kW/cm2 水平时 ,可用镍盘( Ni200), 若盘吸收量超过 7 kW/cm2 ,则可采用倾斜靶盘的方法 。对于不同的光强水平 ,靶盘前表面上采用不同的涂层 ,如石墨等 。利用靶盘技术可以测量的光强范围为 50W/cm2 ～ 912 kW/cm2 。标准靶盘测量误差随峰功率密度增加而增加 ,当激光功率密度为 50 ～ 400 W/cm2时其测量误差相应为 7 %～ 9 . 5 %。

( 3) 光斑阵列探测器国内曾研制了专用的量热型强激光光斑阵列探测器。该探测器阵列由 252 个探测单元构成 ,利用它可以直接测量强激光光斑能量分布 。此外 ,还研制了 32 单元快响应强激光测试系统原理样机, 通过衰减强激光采用光电二极管探测 ,提高了响应速度 ,从而可以测量瞬时光强分布 。

高能激光器光束质量的测量：

在实际测量光束的衍射极限倍数时 ,通常采用近场方法 ,即利用一个聚焦光学系统将被测激光束聚焦或用扩束聚焦系统将光束扩束聚焦后 ,在焦平面上测量光束宽度 w f ,利用 :θ= w f/ f ( 3)求得远场发散角( 这里 f 为聚焦光学系统焦距), 再按定义计算得到衍射极限倍数 β 。

然而对于高能激光器 ,因为直接输出的激光功率过高 ,设功率为 104 W ,光束直径为 Υ为 100 mm , 则相应的平均光强约达 120 W/cm2 , 聚焦后约增 8 个量级 。对于这样的光强水平 ,任何光学元件和探测器件都要被烧坏 , 所以不能直接聚焦测量 ,而需要对输出光束分光取样并进一步衰减后再聚焦 。根据衰减聚焦后的光强水平不同 , 可用红外 CCD 直接接收测量焦平面上的光斑或对焦面处漫反射屏上的光斑成像( 为了避免探测器饱和 , 有时还需要利用衰减片对漫反射光进一步衰减后才能测量), 最后通过图像处理系统对低功率光斑图像进行分析处理后得到焦斑半径 。

发射光束质量的测量

由于发射望远镜本身就是一个扩束聚焦系统 , 因此可用于测量发射望远镜处光束的衍射极限倍数 β 。测量时 , 为尽可能排除大气影响 , 把发射望远镜焦距调至最短 ,在焦平面上测量光斑并得到光斑半径 , 利用公式( 1) 和( 3) 求得 β ,公式( 3) 中 f 为此时发射望远镜系统的焦距 。这时的 β 值是由激光器性能和光束控制系统的光学质量共同决定的 ,它标志着整个强激光系统的发射光束质量 。对于上述测量发射光束质量的方法 ,由于发射望远镜调焦范围有限 , 其最短焦距仍有一定长度 , 在这段光路上大气湍流和热晕效应等对光束质量会有明显影响 ,所以需要对测量结果加以修正 。

靶目标处光束质量的测量

在强激光的应用中, 通常是将发射系统调焦至目标上, 使目标上得到最大功率密度 , 以达到最大作用效果 。因此与测量发射光束质量类似, 原则上可以通过测量靶目标上焦斑光强分布得到束宽, 利用公式( 1) 和( 3) 求得目标处光束的衍射极限倍数 β , 此时望远镜的焦距也即光束传输距离。此时的焦斑尺寸是激光束经过远距离大气传输后得到的焦斑尺寸,包含了大气湍流和热晕效应等引起的光束扩展,所以相应的衍射极限倍数 β 反映了大气传输对光束质量的影响。

尽管原则上在靶目标处仍然可采用衍射极限倍数 β 衡量光束质量 ,但是在实际应用中, 一方面因为焦斑尺寸随传输距离地增大而增大 ,当靶目标距离比较远时 ,焦斑尺寸远大于探测器接收面 ; 另一方面由于高能激光器腔模的非理想性 ,光束控制系统的非理想变换以及大气传输过程中的各种线性和非线性效应,导致远场目标处的光束扩展非常严重 ,光场分布极其复杂 , 其中含有大量高阶空间频率分量。这些高阶分量的强度远小于峰值强度 ,利用通常的光强分布测量方法, 如烧蚀法 、CCD 测量法或专用的强激光光斑面阵探测器, 由于受灵敏度 、测量动态范围 、探测面尺寸等所限 ,实际上不可能探测出来 ,但所有这些高阶分量加起来在光束总能量中占有相当大的比例。在这种情况下不可能得到完整的光强分布,也不可能得到准确的焦斑尺寸和相应的衍射极限倍数 β 。所以在远场靶目标处 ,实际上无法准确测量衍射极限倍数 。

为此 ,在评价远场目标处的光束质量时只能采用BQ 值指标 。实际上 ,评价靶目标处光束质量时采用BQ 值的最大优点在于,它的测定只需要测量靶目标上一定规范尺寸内的能量值, 无需整个光斑的能量分布信息,比测定衍射极限倍数容易得多 。为此建议在评价远距离靶目标处的光束质量时 ,统一采用一定规范尺寸的环围功率比 BQ 值作为评价指标 。决定远场靶目标上激光功率密度的因素很多 ,如激光发射功率、光束质量和传输距离等 ,另外不同应用目的对光强水平的要求也不同 。所以靶目标处激光光强分布应根据具体情况和实际光强水平 ,采用能探测相应光强水平的方法或面阵探测器来测量。