如何捕捉高功率激光对薄膜光学元件的影响?

如何测量高功率激光

引起的波前畸变

薄膜光学元件（如滤波器、镜片等）凭借低损耗和高透射率的特性，广泛应用于高功率激光系统。然而，这些元件即便只有极微量的激光吸收，也会在其内部产生显著的热梯度，从而导致元件发生机械变形以及折射率改变。这种热诱导的变化，最终会对激光光束的波前质量产生明显影响。

近期，法国Institut Fresnel研究所与法国军用激光企业CILAS公司在联合研究中，针对这一问题设计了详细的实验流程，旨在精准测量和模拟高功率激光诱发的波前畸变。研究团队采用了Phasics公司的SID4波前传感器，以四波横向剪切干涉（QWLSI）技术实时监测元件表面的波前变化，通过实验测量和仿真建模，具体观察了高功率激光造成的波前相位变化。

图1:光致相位形变测量的实验装置示意图

在实验设置方面，研究人员使用了一台连续波（CW）激光器（波长1080 nm，最大功率1000W），通过功率调节，将激光功率精确控制在不超过元件损伤阈值的范围内。实验中同时采用了一台热成像相机，实时记录元件表面的温度分布情况。为了消除高功率激光对波前测量的干扰，研究团队特地使用了波长为530 nm和1050 nm的LED光源作为探测光源，并在光路中安装了二向色滤波片以滤除高功率激光的杂散光。通过这种精细的装置设计，确保了波前测量的高质量与高可靠性。 

图2:FP腔滤波器在热平衡状态下热成像（左）与相位图像（右）

实验中，研究团队首先通过光谱仪对加热状态下的Fabry-Pérot滤波器进行了光谱响应测试，结果显示其共振波长随温度上升呈现约10 pm/°C的稳定漂移。

图3: Fabry-Pérot腔的热致引起的光谱漂移

同时，为进一步观察热效应引起的波前形变，研究人员使用Phasics的SID4波前传感器，在透射与反射模式下实时捕捉了激光照射过程中产生的波前畸变。通过SID4实时获得的波前测量数据显示，波前畸变与理论仿真模型（基于COMSOL有限元软件）在透射波前上的预测结果高度一致，验证了模型在透射波前预测中的准确性。同时，研究团队也注意到，反射波前的实际测量与仿真结果存在一些细微差别，这也为下一步优化实验模型提供了有价值的线索。

Phasics SID4系列波前传感器能够精准捕捉高功率激光引起的波前变化，实时监测光学元件在激光照射下的实际表现。凭借高精度和单次快速测量的优势，SID4帮用户快速找出光学系统中可能的热效应问题，让高功率激光的波前检测不再复杂。

Reference: Soulier, M., Krol, H., Rappaport, A., Monneret, S., Lumeau, J., & Gallais, L. (2024). "Measurement and simulation of wavefront deformation and spectral shift induced by high power CW laser in thin film optical filters" Proc. of SPIE Vol. 13190, 1319005.