激光聚变冲击波速度测量光学系统设计

激光聚变冲击波速度测量光学系统设计 Design of optical system for laser fusion shock velocity measurement corresp first-author E-mail：yyd@opt.ac.cn E-mail：yyd@opt.ac.cn 闫亚东（1979-），男，河南周口人，研究员，2003年于郑州大学获得学士学位，2008年于西安光学精密机械研究所获得博士学位，主要从事激光聚变物理参数诊断技术方面的研究。E-mail：yyd@opt.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470625&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470652&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470641&type= 22.01333618 27.98233032 闫亚东（1979-），男，河南周口人，研究员，2003年于郑州大学获得学士学位，2008年于西安光学精密机械研究所获得博士学位，主要从事激光聚变物理参数诊断技术方面的研究。E-mail：yyd@opt.ac.cn yyd@opt.ac.cn 韦明智（1979-），男，甘肃兰州人，工程师，2002年于天津大学获得学士学位，主要从事激光聚变物理参数诊断技术方面的研究。E-mail：weimingzhi@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470675&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470730&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=7470692&type= 22.01333618 27.98233032 韦明智（1979-），男，甘肃兰州人，工程师，2002年于天津大学获得学士学位，主要从事激光聚变物理参数诊断技术方面的研究。E-mail：weimingzhi@163.com 中国科学院 西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119 中国科学院 西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119 Xi’an Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Xi'an 710119， China Xi’an Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Xi'an 710119， China 针对激光聚变冲击波速度测量的需求，设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统。通过采用多种耐辐射光学玻璃材料，实现了共用光路的400~700 nm耐辐射消色差设计；通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作；主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头，实现了不同放大倍率的切换。系统的物方视场为 φ 2.0 mm，主动式测速系统的放大倍率为10×，20×，30×，静态实验干涉条纹平直，调制度达到0.69以上，物方分辨率达到4.72 μm。该系统在激光聚变装置上能够实现冲击波速度的动态测量。 To meet the demands of laser fusion shock velocity measurements， a composite system that integrates a passive scanning optical pyrometer with an active shock wave velocity interferometer was designed in this study. The common-path lens was achromatic and designed in the range of 400–700 nm by using several types of radiation resistance optical materials. The mirrors of a Mach⁃Zehnder interferometer were motorized and could be controlled remotely， thereby simplifying the operation of the system. In addition， the system magnification could be altered by using different focal lengths with a streak camera coupling lens. The field of view of the combined system is 2 mm， and the magnification settings for the active velocity measuring system are 10×， 20×， and 30×. The static interference fringes are straight， and their contrast is greater than 0.69. The system has a 4.72 μm spatial resolution. The system can be applied to dynamic measurement of shock velocity in a laser fusion device. 光学系统设计 速度干涉仪 多普勒频移 扫描高温计 optical system design velocity interferometer Doppler shift scanning optical pyrometer 1 引 言 1 在惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）研究中，任意反射表面速度干涉仪（Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR ） ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 和扫描光学高温计（Streaked Optical Pyrometer ，SOP） ［ 3 3 ］ 是聚变靶场两个非常重要的诊断设备。VISAR是一种主动式聚变冲击波速度测量系统，它基于运动物体表面对探针光的多普勒频移效应进行测速。SOP是一种被动式冲击加热温度测量系统，它通过测量冲击波在台阶靶后表面卸载时的冲击加热发光信号，利用台阶靶的发光时间差计算冲击波速度，再利用冲击波速度和温度的定标关系求解冲击加热温度 ［ 4 4 ］ 。 在国外，VISAR经过几十年的发展，已经被广泛应用于物质高压状态方程 ［ 5 5 ］ 、材料特性 ［ 6 6 - 8 8 6-8 ］ 、冲击特性瑞利-泰勒和脉冲整形 ［ 9 9 ］ 等实验中，成为最重要的波剖面测试设备之一。美国Omega装置将VISAR和SOP集成在一起，发展了一种主、被一体的冲击波速度测量系统 ［ 10 10 ］ ，共用光路为卡塞格林集光系统，SOP的工作谱段为400~700 nm，但卡塞格林光路存在中心拦光问题。美国NIF装置也发展了一种主、被一体的测速系统，共用光路为全石英的透射式光路，受单一石英材料引入大量色散的影响，SOP的工作谱段仅为545~645 nm，但SOP的空间分辨率仅为150 μm ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ ；后来他们对SOP系统做了改进，分辨率提升到12.5 μm，但工作谱段没有展宽，为560~640 nm ［ 13 13 ］ 。 本文基于激光聚变装置设计了一种主、被动一体化的冲击波速度测量系统，采用多种耐辐射光学材料消色差设计，系统的工作谱段展宽至400~700 nm。采用自动化干涉仪设计，极大降低了系统运行、维护的复杂度。道威棱镜转像机构和放大倍率切换功能，使系统能够满足不同实验条件的需求。 2 光学系统设计 1 2.1　光路原理结构 2 主被动一体化冲击波速度测量系统的光路结构如 图1 图1 所示。按功能光路划分为4个支路：公共支路、主动照明支路（A→B）、双灵敏度VISAR主动式测速支路（B→C，B→D）和被动式测速支路（B→E）。其中，系统靶点至M1之间的公共光路位于真空中，其余光路位于大气环境中，二者通过DIM真空窗实现分隔。 2.2　光学设计 2 光学系统设计的输入主要有：主动照明探针的光波长为532 nm，主动式光路采用双灵敏度VISAR结构，放大倍率为10×，20×，30×可选；被动式系统的工作谱段为400~700 nm，放大倍率为10×；视场为2 mm；搭载平台（DIM）真空窗距离靶点4 m。 光学系统设计的核心问题之一是耐辐照设计，因为普通光学材料在该环境下被辐照而暗化，寿命很短。由于可获得的耐辐照光学玻璃种类有限，光学设计消色差异常困难，如NIF装置的VISAR一次像面580 nm与640 nm之间的轴向色差高达43.18 cm（17 inch）。本系统采用了专门研制的耐辐照光学玻璃。 与之前的VISAR系统 ［ 2 2 ］ 相比，本光学系统在光路中设置了道威棱镜，根据道威棱镜的光学特性，在像面探测器不变的情况下，道威棱镜绕自身光轴旋转 α 角时，探测器得到的物面旋转2 α 角。由于系统条纹相机狭缝获得的是靶面上某一条直线的像，如果实验需要改变待测线的方向，通过旋转道威棱镜即可。 为了在VISAR双支路中实现不同的放大倍率，本系统设计了不同焦距的L10，L11。由于不同焦距镜头的后截距设计不同，为了在更换镜头时不影响其他光路，针对3种焦距镜头设计了不同的折叠光路，但它们具有相同的光束输入接口和相同的像面位置。 系统总体的光路设计结果如 图2 图2 所示。L1至M1位于真空环境中，后继光路位于光学平台上，光学平台光路又分为上下两层，VISAR和SOP最终像面都位于上层；如 图2（b） 图2（b） 所示，探针激光通过光纤输出，经过L3，COM1等光学元件照明靶点；由靶点返回的信号光依次经过L1，L2等器件到达BS3，BS3将信号分为两个支路，分别进入两个干涉仪；由靶点返回的SOP信号光依次经过L1，L2等器件到达BS2，信号光被BS2反射，再经过M17，L12等器件进入SOP记录条纹相机。 1;2;3,4,5; 2 . 2 . 1　共用光路消色差设计 3 共用光路位于真空环境中，它既是主动照明探针光的光学通道，又是VISAR多普勒频移光收集、SOP信号光收集的光学通道。该光路设计的核心问题是耐辐照和消色差设计，由于采用了专门研制的耐辐照光学玻璃，共用光路实现了很好的消色差设计。共用光路的设计结果如 图3 图3 所示，它由L1，L2两组透镜组成，二者之间为平行光，便于光束的长距离传输。 共用光路视场为 φ 2 mm，工作谱段为400~700 nm，系统像质评价如 图4 图4 所示。由图可见，像点的几何弥散斑小于艾利斑，系统在400~700 nm谱段内具有接近衍射极限的成像能力，像方传递函数在20 lp/mm处达到0.7。 1,2; 2 . 2 . 2　照明光路设计 3 照明光路是将光纤端面发出的光束通过共用光路投到靶点，照明目标面。由于光纤的数值孔径和共用光路的数值孔径不匹配，本系统采用匹配镜头L3实现二者的孔径匹配。由于采用的光纤是大芯径特殊光纤，光纤端面的光强分布比较均匀。靶点照明区域的照度分布如 图5 图5 所示，可见照明光路具有比较均匀的目标照明效果。 2 . 2 . 3　VISAR干涉光路设计 3 VISAR干涉光路是主动式干涉测速的核心。针对VISAR条纹丢失的问题，干涉光路采用具有不同速度灵敏度的双支路结构，二者联立有利于确立丢失条纹数量。系统采用等比分束镜将共用光路的光束一分为二，分别进入两个干涉仪。 在两个干涉支路中，干涉仪是核心的精密部件。在使用过程中，受自身稳定性和外界环境影响，干涉状态可能产生漂移，因此实验前必须进行状态确认，这大幅增加了系统操作的复杂性。本文设计了电动调节干涉仪，其结构如 图6 图6 所示。干涉仪其中一臂的M9和BS4为二维电动可调元件，另一臂（BS5和M10）为基准臂。通过光路中干涉图像采集相机可以检查干涉仪的状态，并通过远程控制进行干涉仪的状态复位，大幅提升了系统的可操作性。 另外，本系统在M13，M15之间，以及M14，M16之间分别设计了道威棱镜。因系统最终像面处的条纹相机狭缝对应于物面上的一条直线，当道威棱镜绕其光轴旋转 ω 角时，物面上的待测直线旋转了2 ω 角。可见，通过道威棱镜的旋转可以方便地选取靶面上待测直线的方向。 最后，本系统设计了3种不同焦距的L10和L11，使得双灵敏度VISAR系统具有3种不同的放大倍率。由于设计的3种焦距镜头的后截距不同，采用折叠反射镜对光路进行折叠（见 图2 图2 ），使得3种焦距镜头具有相同的光束输入和像面位置。折叠反射镜和对应的镜头固化在一起，形成一个模块。倍率切换时，采取模块替换的方式，方便快捷。 干涉支路与共用光路构成一个完整的多普勒频移光差频干涉光路，采用10×放大镜头，其光学像质评价如 图7 图7 所示。其几何弥散斑小于衍射艾里斑，达到了衍射极限的成像质量，在10 lp/mm处MTF达到0.68。 图7（c） 图7（c） 为对1号鉴别率板的成像结果，靶面上线宽为4.72 μm的一组条纹清晰可辨。7（d）为条纹相机狭缝处的静态干涉条纹，条纹调制度为0.69。其他两种放大倍率下系统也具有同等的成像质量。 1,2;3,4; 2 . 2 . 4　SOP光路设计 3 SOP光路设计主要以共用光路为基础，开展条纹相机匹配及信号滤波设计，其光路结构如 图8 图8 所示。从靶点发出的SOP信号光，依次经过L1，L2等器件到达分光镜BS2，BS2透射532 nm信号，将400~700 nm内的其余谱段信号反射到上层光路；将SOP信号分离出来并反射到上层光路；经上层的M17反射后，由滤片组F滤除VISAR信号光及打靶倍频光的干扰，经L12放大成像到条纹相机狭缝处；系统的放大倍率为15×。系统的像质评价如 图9 图9 所示，其中 图9（c） 图9（c） 为对1号鉴别率板的成像结果。由图可见，系统达到了衍射极限的分辨能力，像面传递函数在6.67 lp/mm处达到0.79，物面宽度为4.72 μm的条纹成像清晰。 1;2; 1;2;3; 2 . 2 . 5　光学性能指标对比 3 本文设计的主被动冲击波速度测量系统与美国NIF装置主被动冲击波速度测量系统的主要性能如 表1 表1 所示。由于NIF装置的环境辐射更强，其更注重提升VISAR和SOP共光路的耐辐照能力，共光路没有消色差，为SOP带来了大量色差，限制了SOP的工作谱段宽度和物方分辨力；本系统基于国内应用环境的辐射情况，对共光路进行了消色差设计，因此，SOP系统的工作谱段更宽、物方分辨力更好。 性能指标 NIF装置 本系统 共光路消色差情况 共光路耐辐照特性 VISAR工作波长 VISAR物方分辨力 SOP工作谱段 SOP物方分辨力 660 nm，无消色差 最优 659.5 nm 4.4 μm 545~645 nm 改造后12.5 μm 400~700 nm消色差 优 532 nm 4.72 μm 400~522 nm和542~700 nm 4.72 μm 2 . 2 . 6　系统总体结构 3 系统的总体结构如 图10 图10 所示，该系统可分为公共光路模块和光学平台模块两部分。公共光路模块工作在真空中，是探针光照明靶点、VISAR信号光收集、SOP信号光收集的公共通道；光学平台模块分上下两层，下层主要有探针光发射、信号光分束、双支路VISAR的差频干涉等单元；上层主要是VISAR、SOP信号与条纹相机耦合单元。目前，该设备在激光聚变装置上运行稳定，并取得了大量的关键实验数据 ［14］ 。 3 结 论 1 本文采用共用光路将VISAR和SOP集成为一体，一次实验可以获取两种数据 ［ 10 10 ］ 。通过采用多种耐辐射玻璃，SOP实现了宽光谱消色差、高分辨成像。VISAR系统通过在光路中设置道威棱镜，可任意改变物面待测直线的方向，测试灵活度大；不同放大倍率切换的功能，使系统对各种实验条件具有更高的适应能力。主被动系统均达到了物方4.72 μm的分辨能力，干涉系统的干涉条纹平直，调制度高。此外，还设计了电动干涉仪，大幅提升了系统的可操作性。该设备目前运行稳定，能够满足激光聚变冲击波速度测量的需求。 参考文献 闫亚东 . 成像型双灵敏度VISAR关键技术研究 ［D］. 北京 ： 中国科学院研究生院 ， 2008 . 成像型双灵敏度VISAR关键技术研究 YAN Y D . 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