隨著高功率激光裝置的發展，人們對裝置輸出能力和光束質量的要求越來越高，同時也對光場測量提出了新的要求。
圖 NLF光場測量結果。(a)近場光強；(b)近場相位；(c)遠場光強；(d)記錄光斑
目前運用的直接成像法只能在有限固定平面上獲得光束近場和遠場的強度分布；哈特曼傳感器也只能測量低頻波前信息，精密的中高頻波前信息無法獲取；而激光傳輸過程中，三倍頻損傷、多波長效應等也使傳統的測量方法捉襟見肘。所以一直沒有合適的技術能在線以足夠高的精度同時測量出高功率激光束的強度和相位，激光束光場的全面在線檢測一直沒能實現。
高功率激光物理聯合實驗室基于多年的技術積累，提出一種新的波前測量方法——相干調制成像（CMI）方法。
相干調制成像（CMI）方法
在原理上不同于現有的測量技術，相干調制成像（CMI）方法利用一塊結構已知、高度隨機分布的相位板對待測波前進行相位調制，由CCD記錄下單幅衍射光斑，然后通過迭代算法對待測光的振幅和相位同時進行重建。重建的思路是：將猜測的入射光場在入射窗面及CCD面之間來回傳輸，并分別在兩個面上對振幅施加約束條件，使計算光場逐步收斂于真實值。那如何確保收斂所得的即為真實的復振幅呢？
圖 CMI法波前測量實物圖
從空域上來看，隨機相位板的強散射作用使待測波前的點與點之間相互關聯，因而待測波前上的些許差異都將在CCD采集的衍射斑中產生很大差別（如下圖所示）。因此通過衍射光斑強度和入射窗面空域的限制，最終計算光場只能收斂于真實光場。
圖 不同入射波前在衍射斑中產生的差異
從頻域上解釋，隨機分布的相位板頻譜較寬，由于其與入射光頻譜的作用為一卷積過程。相位板的頻譜范圍越寬，所能構建的方程就越多，當方程數大于未知數個數（入射光頻譜）時，可求得唯一解。
簡而言之，隨機相位板的強調制作用加強了對現有空域及頻域的限制，增強了對波前的篩選能力，從而能夠獲得真實的振幅和相位。獲得待測波前的真實分布后，便可進一步提取出所需的近遠場強度分布、光束指向、能量聚集度等信息，實現對激光束的全面診斷。
CMI方法的應用
利用CMI方法研制的儀器具有結構小巧、測量速度快和精度高等諸多優點，可放置于驅動器內任何位置對光束波前進行實時精密檢測。它克服了現有直接成像法和哈特曼傳感器的不足，解決了只能通過干涉儀離線測量中高空間頻率的難題。目前該方法已成功在XXX國家激光裝置上進行了實驗驗證，測量出了單次脈沖的近遠場光場分布，實現了500μm的近場分辨率。
圖 NLF光場測量結果。(a)近場光強；(b)近場相位；(c)遠場光強；(d)記錄光斑
作為一種新型的波前測量技術，CMI方法同樣適用于光學元件的檢測，添加光源及準直模塊后即能實現干涉儀的功能，測量精度達到0.05λ。考慮到其較高的測量動態范圍、對環境穩定性要求低、不需要參考光束等特點，該技術在元件測量領域具有很好的發展前景。另外，基于原理性的突破，CMI方法也有望在交叉學科如顯微成像、等離子狀態測量等領域創新應用。
圖 CMI光學元件測量儀器效果圖及測量結果
CMI波前測量儀在國防工程和民用領域有著廣泛的應用前景，并可以打破發達國家在大型光學精密測量儀器領域的技術壟斷。日前該項目榮獲首屆“中國軍民兩用技術創新應用大賽”金獎，并獲得評委會的高度評價。高功率激光物理聯合室對CMI波前測量儀的未來充滿信心。
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