光束傳輸中的“波前"通常指等相位面的幾何位形，“波前畸變"則指的是該幾何位形與高斯光束波前面型的差異。而波前位相畸變則指在傳輸橫截面上的位相分布與理想高斯光束截面位相分布的差異；大多數(shù)時(shí)候這兩個(gè)概念可以等效使用。通常而言，波前位相偏離理想光束會(huì)導(dǎo)致發(fā)散角變大、聚焦性能變差、成像質(zhì)量變差等。如果準(zhǔn)確地知道光在某個(gè)截面上的振幅和位相分布，那么光在之前、之后的傳輸特性均嚴(yán)格可知，所以在激光研究和應(yīng)用中，對(duì)波前位相進(jìn)行測量是一種完整地評(píng)估光束質(zhì)量的方法；而常規(guī)的光斑分布測量、發(fā)散角測量、M2 測量則只能給出部分的信息。

波前位相測試可用如下場合：• 激光研發(fā)制造：M2 類測試僅能提示激光器的傳輸性能是“好"還是“不好"，而波前位相信息可反映激光束像差成份，從而探究激光器光束質(zhì)量不佳的原因，為優(yōu)化和調(diào)整指明方向；• 波前位相矯正：通過測量波前位相，采用自適應(yīng)光學(xué)等方法對(duì)畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，從而得到最佳的效果，如最小的可聚焦光斑、清晰的成像等；• 光場控制與特殊波前：某些實(shí)驗(yàn)需要對(duì)激光器的波前位相進(jìn)行人為的設(shè)定，如渦旋光、貝塞爾光束等；這些特殊位相分布可直接測量；• 特殊激光器測試：如單發(fā)激光器 M2 測試等；• 成像系統(tǒng)和光學(xué)元件測試：通過光源經(jīng)過鏡頭 / 元件后的波前，直接測量傳遞函數(shù)、像差、鏡面面型等光學(xué)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)性能；• 位相成像：如表面起伏測試、相襯顯微等。

波前傳感器 SID4簡介波前傳感器用于測量激光波前的位相。其測量方式是將激光截面光斑分割為若干個(gè)小區(qū)域（取樣），每個(gè)小區(qū)域經(jīng)過特定的位相元件，將位相信息轉(zhuǎn)化成空間信息并由成像器件探測；成像器件探測到的圖像經(jīng)過反演即可獲得激光傳輸截面上位相的分布。多年以來哈特曼光闌（Shack Hartmann Mask）被廣泛用于波前傳感，其取樣元件是微透鏡陣列。激光傳輸截面上，在波前傾斜的位置，波矢方向也會(huì)發(fā)生變化（波矢總是垂直于等相面），將導(dǎo)致激光經(jīng)過微透鏡后的焦點(diǎn)發(fā)生偏移，其偏移量正比于取樣點(diǎn)位相的空間變化率。這種波前傳感方式的缺點(diǎn)主要是：• 成像器件（CCD）需要最少 16 個(gè)像素才能計(jì)算焦點(diǎn)的重心，導(dǎo)致分辨率（對(duì)位相在空間的取樣率）有限；• 微透鏡有色散，對(duì)不同波長的焦距不同，而位相檢測要求嚴(yán)格地測量焦點(diǎn)位置，故一臺(tái)傳感器只適合很小的波長范圍，且不適合寬帶寬激光（如超寬脈沖激光）；• 對(duì)于畸變較大 / 波前曲率較大的光束，焦斑可能躍出成像器件上的限定范圍，導(dǎo)致無法測量；同理，也不適合傾斜波前（斜入射）測量。法國PHASICS公司推出的四波剪切干涉波前傳感器，采用二維位相光柵取代微透鏡陣列，利用一階干涉信號(hào)的傅里葉變換復(fù)原波前位相，將波前傳感的性能提升到新的高度：• 高空間分辨率，可達(dá) 852×720（哈特曼光闌通常 <100×100）；• 高動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 500μm，可直接測量球面波，可在光束任意角度、任意位置測量；• 無色散，響應(yīng)波長范圍只取決于相機(jī)，可測量寬帶光源、空間啁啾光源；• 對(duì)近場強(qiáng)度分布不敏感；• 單次測量可同時(shí)獲得位相和振幅分布；通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)，單次測量可獲得 M2、像差系數(shù)、發(fā)散角、焦斑及焦深等*信息；• 可達(dá) 10nm（λ/63 @ 632.8nm）位相精度，1nm 位相分辨率。

PHASICS 公司提供 SID4 系列波前傳感器，覆蓋紫外 ~ 中遠(yuǎn)紅外波段，主要應(yīng)用包括：

 • 激光：激光光束質(zhì)量測量、自適應(yīng)光學(xué)、激光系統(tǒng)準(zhǔn)直、氣體與等離子體密度測量；

• 光學(xué)計(jì)量：鏡頭與鏡頭組檢測、光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直、表面面型分析、廣角視場鏡頭檢測、濾光片及偏振片表征、特種波長光學(xué)元件表征、超表面及超透鏡測量、外場 / 真空等環(huán)境波前計(jì)量；

 • 定量相位成像：細(xì)胞學(xué)、組織學(xué)；

 • 微納材料檢測：表面拓?fù)浼皵鄬訏呙琛⒐獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)及折射率分析、激光損傷閾值測量、納米結(jié)構(gòu)與光熱

SID4 用于激光測量