激光聚變沖擊波速度測量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆亞東，韋明智，李 奇，王 維，齊文博，何俊華

（中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西西安710119）

1 引 言

在慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）研究中，任意反射表面速度干涉儀（Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR）［1-2］和掃描光學(xué)高溫計(jì)（Streaked Optical Pyrometer，SOP）［3］是聚變靶場兩個(gè)非常重要的診斷設(shè)備。VISAR是一種主動(dòng)式聚變沖擊波速度測量系統(tǒng)，它基于運(yùn)動(dòng)物體表面對探針光的多普勒頻移效應(yīng)進(jìn)行測速。SOP是一種被動(dòng)式?jīng)_擊加熱溫度測量系統(tǒng)，它通過測量沖擊波在臺階靶后表面卸載時(shí)的沖擊加熱發(fā)光信號，利用臺階靶的發(fā)光時(shí)間差計(jì)算沖擊波速度，再利用沖擊波速度和溫度的定標(biāo)關(guān)系求解沖擊加熱溫度［4］。

在國外，VISAR經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)高壓狀態(tài)方程［5］、材料特性［6-8］、沖擊特性瑞利-泰勒和脈沖整形［9］等實(shí)驗(yàn)中，成為最重要的波剖面測試設(shè)備之一。美國Omega裝置將VISAR和SOP集成在一起，發(fā)展了一種主、被一體的沖擊波速度測量系統(tǒng)［10］，共用光路為卡塞格林集光系統(tǒng)，SOP的工作譜段為400～700 nm，但卡塞格林光路存在中心攔光問題。美國NIF裝置也發(fā)展了一種主、被一體的測速系統(tǒng)，共用光路為全石英的透射式光路，受單一石英材料引入大量色散的影響，SOP的工作譜段僅為545～645 nm，但SOP的空間分辨率僅為150 μm［11-12］；后來他們對SOP系統(tǒng)做了改進(jìn)，分辨率提升到12.5μm，但工作譜段沒有展寬，為560～640 nm［13］。

本文基于激光聚變裝置設(shè)計(jì)了一種主、被動(dòng)一體化的沖擊波速度測量系統(tǒng)，采用多種耐輻射光學(xué)材料消色差設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的工作譜段展寬至400～700 nm。采用自動(dòng)化干涉儀設(shè)計(jì)，極大降低了系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)的復(fù)雜度。道威棱鏡轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)和放大倍率切換功能，使系統(tǒng)能夠滿足不同實(shí)驗(yàn)條件的需求。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光路原理結(jié)構(gòu)

主被動(dòng)一體化沖擊波速度測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。按功能光路劃分為4個(gè)支路：公共支路、主動(dòng)照明支路（A→B）、雙靈敏度VISAR主動(dòng)式測速支路（B→C，B→D）和被動(dòng)式測速支路（B→E）。其中，系統(tǒng)靶點(diǎn)至M1之間的公共光路位于真空中，其余光路位于大氣環(huán)境中，二者通過DIM真空窗實(shí)現(xiàn)分隔。

圖1 主被動(dòng)式?jīng)_擊波速度測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical schematic diagram of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入主要有：主動(dòng)照明探針的光波長為532 nm，主動(dòng)式光路采用雙靈敏度VISAR結(jié)構(gòu)，放大倍率為10×，20×，30×可選；被動(dòng)式系統(tǒng)的工作譜段為400～700 nm，放大倍率為10×；視場為2 mm；搭載平臺（DIM）真空窗距離靶點(diǎn)4 m。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題之一是耐輻照設(shè)計(jì)，因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)材料在該環(huán)境下被輻照而暗化，壽命很短。由于可獲得的耐輻照光學(xué)玻璃種類有限，光學(xué)設(shè)計(jì)消色差異常困難，如NIF裝置的VISAR一次像面580 nm與640 nm之間的軸向色差高達(dá)43.18 cm（17 inch）。本系統(tǒng)采用了專門研制的耐輻照光學(xué)玻璃。

與之前的VISAR系統(tǒng)［2］相比，本光學(xué)系統(tǒng)在光路中設(shè)置了道威棱鏡，根據(jù)道威棱鏡的光學(xué)特性，在像面探測器不變的情況下，道威棱鏡繞自身光軸旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，探測器得到的物面旋轉(zhuǎn)2α角。由于系統(tǒng)條紋相機(jī)狹縫獲得的是靶面上某一條直線的像，如果實(shí)驗(yàn)需要改變待測線的方向，通過旋轉(zhuǎn)道威棱鏡即可。

為了在VISAR雙支路中實(shí)現(xiàn)不同的放大倍率，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同焦距的L10，L11。由于不同焦距鏡頭的后截距設(shè)計(jì)不同，為了在更換鏡頭時(shí)不影響其他光路，針對3種焦距鏡頭設(shè)計(jì)了不同的折疊光路，但它們具有相同的光束輸入接口和相同的像面位置。

系統(tǒng)總體的光路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。L1至M1位于真空環(huán)境中，后繼光路位于光學(xué)平臺上，光學(xué)平臺光路又分為上下兩層，VISAR和SOP最終像面都位于上層；如圖2（b）所示，探針激光通過光纖輸出，經(jīng)過L3，COM1等光學(xué)元件照明靶點(diǎn)；由靶點(diǎn)返回的信號光依次經(jīng)過L1，L2等器件到達(dá)BS3，BS3將信號分為兩個(gè)支路，分別進(jìn)入兩個(gè)干涉儀；由靶點(diǎn)返回的SOP信號光依次經(jīng)過L1，L2等器件到達(dá)BS2，信號光被BS2反射，再經(jīng)過M17，L12等器件進(jìn)入SOP記錄條紋相機(jī)。

圖2 干涉儀和高溫計(jì)耦合系統(tǒng)光路Fig.2 Optical path of coupling system of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

2.2.1 共用光路消色差設(shè)計(jì)

共用光路位于真空環(huán)境中，它既是主動(dòng)照明探針光的光學(xué)通道，又是VISAR多普勒頻移光收集、SOP信號光收集的光學(xué)通道。該光路設(shè)計(jì)的核心問題是耐輻照和消色差設(shè)計(jì)，由于采用了專門研制的耐輻照光學(xué)玻璃，共用光路實(shí)現(xiàn)了很好的消色差設(shè)計(jì)。共用光路的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示，它由L1，L2兩組透鏡組成，二者之間為平行光，便于光束的長距離傳輸。

圖3 共用光路結(jié)構(gòu)Fig.3 Layout of common path optical system

共用光路視場為φ2 mm，工作譜段為400～700 nm，系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)如圖4所示。由圖可見，像點(diǎn)的幾何彌散斑小于艾利斑，系統(tǒng)在400～700 nm譜段內(nèi)具有接近衍射極限的成像能力，像方傳遞函數(shù)在20 lp/mm處達(dá)到0.7。

2.2.2 照明光路設(shè)計(jì)

照明光路是將光纖端面發(fā)出的光束通過共用光路投到靶點(diǎn)，照明目標(biāo)面。由于光纖的數(shù)值孔徑和共用光路的數(shù)值孔徑不匹配，本系統(tǒng)采用匹配鏡頭L3實(shí)現(xiàn)二者的孔徑匹配。由于采用的光纖是大芯徑特殊光纖，光纖端面的光強(qiáng)分布比較均勻。靶點(diǎn)照明區(qū)域的照度分布如圖5所示，可見照明光路具有比較均勻的目標(biāo)照明效果。

2.2.3 VISAR干涉光路設(shè)計(jì)

VISAR干涉光路是主動(dòng)式干涉測速的核心。針對VISAR條紋丟失的問題，干涉光路采用具有不同速度靈敏度的雙支路結(jié)構(gòu)，二者聯(lián)立有利于確立丟失條紋數(shù)量。系統(tǒng)采用等比分束鏡將共用光路的光束一分為二，分別進(jìn)入兩個(gè)干涉儀。

在兩個(gè)干涉支路中，干涉儀是核心的精密部件。在使用過程中，受自身穩(wěn)定性和外界環(huán)境影響，干涉狀態(tài)可能產(chǎn)生漂移，因此實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，這大幅增加了系統(tǒng)操作的復(fù)雜性。本文設(shè)計(jì)了電動(dòng)調(diào)節(jié)干涉儀，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。干涉儀其中一臂的M9和BS4為二維電動(dòng)可調(diào)元件，另一臂（BS5和M10）為基準(zhǔn)臂。通過光路中干涉圖像采集相機(jī)可以檢查干涉儀的狀態(tài)，并通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行干涉儀的狀態(tài)復(fù)位，大幅提升了系統(tǒng)的可操作性。

另外，本系統(tǒng)在M13，M15之間，以及M14，M16之間分別設(shè)計(jì)了道威棱鏡。因系統(tǒng)最終像面處的條紋相機(jī)狹縫對應(yīng)于物面上的一條直線，當(dāng)?shù)劳忡R繞其光軸旋轉(zhuǎn)ω角時(shí)，物面上的待測直線旋轉(zhuǎn)了2ω角。可見，通過道威棱鏡的旋轉(zhuǎn)可以方便地選取靶面上待測直線的方向。

最后，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3種不同焦距的L10和L11，使得雙靈敏度VISAR系統(tǒng)具有3種不同的放大倍率。由于設(shè)計(jì)的3種焦距鏡頭的后截距不同，采用折疊反射鏡對光路進(jìn)行折疊（見圖2），使得3種焦距鏡頭具有相同的光束輸入和像面位置。折疊反射鏡和對應(yīng)的鏡頭固化在一起，形成一個(gè)模塊。倍率切換時(shí)，采取模塊替換的方式，方便快捷。

圖4 共用光路像質(zhì)評價(jià)Fig.4 Evaluation of image quality of common path optical system

圖5 目標(biāo)面的相對照度分布Fig.5 Relative illumination of target surface

圖6 馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of Mach-Zehnder interferometer

干涉支路與共用光路構(gòu)成一個(gè)完整的多普勒頻移光差頻干涉光路，采用10×放大鏡頭，其光學(xué)像質(zhì)評價(jià)如圖7所示。其幾何彌散斑小于衍射艾里斑，達(dá)到了衍射極限的成像質(zhì)量，在10 lp/mm處MTF達(dá)到0.68。圖7（c）為對1號鑒別率板的成像結(jié)果，靶面上線寬為4.72μm的一組條紋清晰可辨。7（d）為條紋相機(jī)狹縫處的靜態(tài)干涉條紋，條紋調(diào)制度為0.69。其他兩種放大倍率下系統(tǒng)也具有同等的成像質(zhì)量。

圖7 10×放大光學(xué)系統(tǒng)在532 nm處的像質(zhì)評價(jià)Fig.7 Evaluation of image quality of VISAR optical system with magnification of 10×

2.2.4 SOP光路設(shè)計(jì)

SOP光路設(shè)計(jì)主要以共用光路為基礎(chǔ)，開展條紋相機(jī)匹配及信號濾波設(shè)計(jì)，其光路結(jié)構(gòu)如圖8所示。從靶點(diǎn)發(fā)出的SOP信號光，依次經(jīng)過L1，L2等器件到達(dá)分光鏡BS2，BS2透射532 nm信號，將400～700 nm內(nèi)的其余譜段信號反射到上層光路；將SOP信號分離出來并反射到上層光路；經(jīng)上層的M17反射后，由濾片組F濾除VISAR信號光及打靶倍頻光的干擾，經(jīng)L12放大成像到條紋相機(jī)狹縫處；系統(tǒng)的放大倍率為15×。系統(tǒng)的像質(zhì)評價(jià)如圖9所示，其中圖9（c）為對1號鑒別率板的成像結(jié)果。由圖可見，系統(tǒng)達(dá)到了衍射極限的分辨能力，像面?zhèn)鬟f函數(shù)在6.67 lp/mm處達(dá)到0.79，物面寬度為4.72μm的條紋成像清晰。

圖8 掃描光學(xué)高溫計(jì)的光路結(jié)構(gòu)Fig.8 Optical path of streaked optical pyrometer

圖9 掃描光學(xué)高溫計(jì)的像質(zhì)評價(jià)Fig.9 Evaluation of image quality for streaked optical pyrometer

2.2.5 光學(xué)性能指標(biāo)對比

本文設(shè)計(jì)的主被動(dòng)沖擊波速度測量系統(tǒng)與美國NIF裝置主被動(dòng)沖擊波速度測量系統(tǒng)的主要性能如表1所示。由于NIF裝置的環(huán)境輻射更強(qiáng)，其更注重提升VISAR和SOP共光路的耐輻照能力，共光路沒有消色差，為SOP帶來了大量色差，限制了SOP的工作譜段寬度和物方分辨力；本系統(tǒng)基于國內(nèi)應(yīng)用環(huán)境的輻射情況，對共光路進(jìn)行了消色差設(shè)計(jì)，因此，SOP系統(tǒng)的工作 譜段更寬、物方分辨力更好。

表1 本沖擊波速度測量系統(tǒng)性能與NIF沖擊波速度測量系統(tǒng)的主要性能對比Tab.1 Performance comparison between proposed shock wave velocity measurement system and NIF

2.2.6 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖10所示，該系統(tǒng)可分為公共光路模塊和光學(xué)平臺模塊兩部分。公共光路模塊工作在真空中，是探針光照明靶點(diǎn)、VISAR信號光收集、SOP信號光收集的公共通道；光學(xué)平臺模塊分上下兩層，下層主要有探針光發(fā)射、信號光分束、雙支路VISAR的差頻干涉等單元；上層主要是VISAR、SOP信號與條紋相機(jī)耦合單元。目前，該設(shè)備在激光聚變裝置上運(yùn)行穩(wěn)定，并取得了大量的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［14］。

圖10 主被動(dòng)式?jīng)_擊波速度測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.10 Layout of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

3 結(jié) 論

本文采用共用光路將VISAR和SOP集成為一體，一次實(shí)驗(yàn)可以獲取兩種數(shù)據(jù)［10］。通過采用多種耐輻射玻璃，SOP實(shí)現(xiàn)了寬光譜消色差、高分辨成像。VISAR系統(tǒng)通過在光路中設(shè)置道威棱鏡，可任意改變物面待測直線的方向，測試靈活度大；不同放大倍率切換的功能，使系統(tǒng)對各種實(shí)驗(yàn)條件具有更高的適應(yīng)能力。主被動(dòng)系統(tǒng)均達(dá)到了物方4.72μm的分辨能力，干涉系統(tǒng)的干涉條紋平直，調(diào)制度高。此外，還設(shè)計(jì)了電動(dòng)干涉儀，大幅提升了系統(tǒng)的可操作性。該設(shè)備目前運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足激光聚變沖擊波速度測量的需求。