CN105489262A - 万向点光源模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种万向点光源模拟系统，以克服现有模拟系统标定效率低且标定精度低的缺陷。该系统包括激光器、铰链反射镜、DIM和万向光束模拟头。铰链反射镜设置在激光器的输出光路上，DIM设置在铰链反射镜的反射光路上，铰链反射镜的反射光可通过DIM尾端的真空密封窗进入DIM；DIM的前部伸入靶室内，DIM的前端与所述万向光束模拟头固定连接；DIM上依次设置有第一准直孔、第一监测相机、第二准直孔和第二监测相机，其中第二准直孔靠近所述万向光束模拟头。本发明所提供的模拟系统可在激光聚变靶室内模拟从靶点发出的、不同方向的各路背向散射光束，为各路背向散射测量系统的标定提供输入光源。

Description

万向点光源模拟系统
技术领域
本发明涉及一种点光源模拟系统，尤其涉及一种万向点光源模拟系统。
背景技术
激光核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它在民用和军事上都具有十分重大的研究意义：为人类提供一种取之不尽的清洁核能源；用来研制无放射污染的核武器、发展高能激光武器；部分替代核实验。
因此，激光核聚变受到世界各核大国的高度重视，从20世纪70年代后半叶开始，俄、美、日、法、中、英等国相继开始高功率激光驱动器的研制。美国在此领域的研究处于领先地位，并于2009年正式建成包含192路的超大型激光驱动装置“NIF”；法国正在建设的MLF包含240路激光；日本也在酝酿建造大型激光驱动器，并计划在2015-2020年间完成可应用于发电的基础技术研究。中国也建立了一系列的激光驱动装置(星光系列、神光系列等)，2015年完成建设的国内最大的激光驱动装置“神光－Ⅲ”包含48路激光。
然而，美国NIF在2010年的点火并不顺利，这在世界范围引起了较大的震惊。针对NIF随后的研究发现，激光的背向散射和聚变燃料的瑞利-泰勒不稳定性是问题的根源。在背向散射方面，美国有关方认为在Omega等其它激光聚变装置上已经进行了透彻的研究、清楚了激光打靶的物理过程，因而对NIF装置的背向散射研究重视不足。
国内对背向散射的研究起步也较早，并取得了大量的研究成果，但我们必须吸取美国NIF的教训，高度重视背向散射光的研究。2013年国内紧急启动了基于神光-Ⅲ主机的背向散射光研究项目，共建设8套背向散射测量系统，覆盖激光的四个打靶环角，且每个角度选取2路，形成环-环相互对比、同环相互验证的庞大的、系统性的测量系统。
但是，系统还需要标定后才能使用。因为从靶点发出的背向散射光在经过一系列光学元件到达探测器过程中，每个光学元件对背向散射光都有一定程度的衰减，而衰减系数因波长而异；探测器上的测量值如何反映待测值是一个关键问题。国际上，一般通过对实验前的测量系统进行标定，获得测量值与待测值之间的定量关系，以便由实验值推算待测值。
标定的焦点问题是如何模拟从靶点发出的、具有特定圆锥角的点光源。
美国在标定时采用的是抽样标定的思路：即选用一台点激光器，模拟从靶点发出的某一根光线，使之通过待标系统，得到单点透过率；改变光线方向，获得光学系统口径内多点的标定数据，进而综合得到系统的光谱透过率。这种标定方法的优点是：对标定光源要求很低，只需选择一台波长合适、工作稳定的小激光器即可。缺点是：存在以点盖面的缺陷，标定的不确定度大；另外，每套系统需要单独搭建标定光源，耗时耗力。
国内神光-Ⅲ原型的标定系统借鉴了美国的标定方法，只不过它采用的是一个体积庞大、具有电源箱、水冷箱的激光器，移动不便。因此只能将其光束引向球形真空靶室的靶点，在靶室内架设反射镜控制光束方向，以进行单点标定。上述方案的实施得益于原型装置真空靶室直径小(2.4m)，人员站立其内能够轻松操作。
而神光-Ⅲ主机的靶室直径达6m，虽有设备输送平台，但人员需要进入真空靶室进行高空调试作业，危险且耗时；况且这种抽样标定的不确定因素较大。如果待测光路规模庞大，则这种方法的效率极低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种标定效率高、标定精度高的万向点光源模拟系统，该系统可在激光聚变靶室内模拟从靶点发出的、不同方向的各路背向散射光束，为各路背向散射测量系统的标定提供输入光源。
本发明的技术方案是所提供的万向点光源模拟系统包括激光器、铰链反射镜和DIM。其特殊之处在于还包括万向光束模拟头。铰链反射镜设置在激光器的输出光路上；DIM设置在铰链反射镜的反射光路上，铰链反射镜的反射光可通过DIM尾端真空密封窗进入DIM；DIM的前部伸入靶室内，DIM的前端与所述万向光束模拟头固定连接；DIM上依次设置有第一准直孔、第一监测相机、第二准直孔和第二监测相机，其中第二准直孔靠近所述万向光束模拟头；
上述万向光束模拟头包括第一旋转关节和第二旋转关节。第一旋转关节的旋转轴和第二旋转关节的旋转轴的轴线正交，第一旋转关节旋转轴和第二旋转关节旋转轴的轴线的交汇处为模拟靶点。第一旋转关节的旋转轴的轴线与经第一准直孔和第二准直孔准直后的输入光的光路重合，第一旋转关节可带动整个万向光束模拟头旋转；万向光束模拟头的输入光的光路上设置有第一五棱镜；第一五棱镜的出射光路上设置有第一直角棱镜；第一直角棱镜的出射光路上设置有第二五棱镜；第二五棱镜的出射光路上设置有第二直角棱镜；第二直角棱镜的出射光路上设置有第三直角棱镜；第三直角棱镜的出射光路上设置有第四直角棱镜；第四直角棱镜的出射光路上设置有可通过电机切换的第一光束模拟镜头和第二光束模拟镜头，其中第二光束模拟镜头上胶合有遮挡片；第二旋转关节位于第二五棱镜和第二直角棱镜之间，且第二旋转关节的旋转轴的轴线与第二五棱镜的出射光路重合。第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机。
上述万向点光源模拟系统还包括铰链分束镜、监测反射镜和监测功率计；所述铰链分束镜设置在激光器的输出光路上，且保证铰链分束镜的反射光为所述铰链反射镜的入射光，监测反射镜设置在铰链分束镜的透射光路上，监测功率计设置在监测反射镜的反射光路上。本发明通过设置铰链分束镜将激光器的输出光分为两路，其中的透射光经监测反射镜进入监测功率计以监视激光器是否稳定运行，其中的反射光经铰链反射镜进入DIM。
本发明的优点是：
(1)简化使用前的准备工作
本发明的两个准直孔与万向光束模拟头一体化，使用时只需利用DIM(公共诊断搭载平台)将万向光束模拟头送入靶室，依靠第一五棱镜两侧的瞄准相机实现自动定位，简化了使用前的准备工作。
(2)易调试
本发明在旋转关节的旋转轴处设置五棱镜可保证光路无偏差运动，极大的降低了模拟系统的调试难度。
(3)标定效率高
在对多个系统进行标定时，本发明的万向光束模拟头可实现模拟光束的自动转向，瞬间完成在待标定系统间的切换。本发明的模拟光束的自动转向功能在大规模背向散射测量系统标定中表现出的效率优势更为显著。
(4)标定精度高
本发明将模拟靶点设置在两个旋转关节旋转轴的交点处，保证了在旋转关节转动时模拟靶点的位置不变；在第二光束模拟镜头上胶合遮挡片，无需其它支撑结构，不遮挡有效光束，且第二光束模拟镜头远离激光器，受激光衍射影响小，易于获得轮廓清晰的环形中空锥光束；在第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机，采用这种双目瞄准镜头方式，瞄准的中心与模拟靶点重合，通过双目瞄准镜头的放大成像以及双目瞄准镜头的立体定位功能，能实现10μm的定位精度，以保证模拟靶点位置的准确性；标定时采用模拟的大光束，避免了原来的多点标定所存在的以点盖面的缺陷，数据准确度更高。
附图说明
图1为本发明的万向点光源模拟系统结构示意图；
图2为本发明的万向光束模拟头中光路示意图；
图3为本发明模拟全孔径背向光束的原理示意图；
图4为本发明模拟近背向光束的原理示意图。
其中：1-激光器；2-铰链分束镜；3-铰链反射镜；4-监测反射镜；5-监测功率计；6-真空密封窗；7-第一准直孔；8-第一监测相机；9-第二准直孔；10-第二监测相机；11-万向光束模拟头；12-DIM；13-靶室；1101-第一五棱镜；1102-第一直角棱镜；1103-第二五棱镜；1104-第二直角棱镜；1105-第三直角棱镜；1106-第四直角棱镜；1107-第一光束模拟镜头；1108-第二光束模拟镜头；1109-模拟靶点；1110-瞄准相机；1111-第一旋转关节；1112-第二旋转关节；1113-遮挡片；1114-模拟光束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的万向点光源模拟系统包括激光器1、铰链分束镜2、铰链反射镜3、监测反射镜4、监测功率计5、DIM12和万向光束模拟头11。这里的DIM为公共诊断搭载平台，可将万向光束模拟头11输送到直径为6米的真空球中。铰链分束镜2设置在激光器1的出射光路上；铰链反射镜3设置在铰链分束镜2的反射光路上；监测反射镜4设置在铰链分束镜2的透射光路上；监测功率计5设置在监测反射镜4的反射光路上；DIM12设置在铰链反射镜3的反射光路上，铰链反射镜3的反射光可通过DIM12尾端的真空密封窗6进入DIM12；DIM12的前部伸入靶室13内，DIM12的前端与万向光束模拟头11固定连接；DIM12上依次设置有第一准直孔7、第一监测相机8、第二准直孔9和第二监测相机10，其中第二准直孔9靠近万向光束模拟头11。
如图2所示，万向光束模拟头11包括第一旋转关节1111、第二旋转关节1112。
模拟靶点1109设置在第一旋转关节1111的旋转轴和第二旋转关节1112的旋转轴的交汇处，两个旋转关节转动时模拟靶点1109的位置始终保持固定不变。
第一旋转关节1111的旋转轴与经第一准直孔7和第二准直孔9准直后的输入光的光路重合，第一旋转关节1111可带动整个万向光束模拟头11旋转；所述输入光的光路上设置有第一五棱镜1101；第一五棱镜1101的出射光路上设置有第一直角棱镜1102；第一直角棱镜1102的出射光路上设置有第二五棱镜1103；第二五棱镜1103的出射光路上设置有第二直角棱镜1104；第二直角棱镜1104的出射光路上设置有第三直角棱镜1105；第三直角棱镜1105的出射光路上设置有第四直角棱镜1106；第四直角棱镜1106的出射光路上设置有可通过电机切换使用的第一光束模拟镜头1107和胶合有遮挡片1113的第二光束模拟镜头1108。
第二旋转关节1112位于第二五棱镜1103和第二直角棱镜1104之间，且第二旋转关节1112的旋转轴与第二五棱镜1103的出射光路重合。
第一五棱镜1101的两侧均设置有瞄准相机1110，这种双目瞄准镜头类似于一双眼睛，瞄准的中心与模拟靶点1109重合。通过瞄准相机1110的放大成像以及双目瞄准的立体定位功能，可实现10μm的定位精度，确保模拟靶点1109位置的准确性。
本发明的第一光束模拟镜头1107可实现全孔径背向光束的模拟，模拟原理如图3所示。第二光束模拟镜头1108的镜头中心胶合遮挡片1113可获得中空的锥光束，通过控制遮挡片的直径可获得特定中空锥角的锥光束，实现近背向光束的模拟，模拟原理如图4所示。第一光束模拟镜头1107和第二光束模拟镜头1108可通过电机轻松切换。
由于两个旋转关节运动过程中万向光束模拟头11中的光路相对两个旋转关节静止的难度极大，要求光路必须经过十分苛刻的调试才能达到标定要求(即保证旋转关节处棱镜的入射光束和出射光束垂直)。而本发明在第一旋转关节1111和第二旋转关节1112处均设置五棱镜，利用五棱镜的出射光与入射光始终垂直的物理特性，极大的降低了万向光束模拟头11的调试难度。
本发明各棱镜的光学参数如下：
本发明的第一光束模拟镜头1107的光学参数如下：
序号 面型 半径(mm) 厚度(mm) 玻璃 直径(mm)
1(stop) 球面 14.689 4.50 CAF2 16(stop:14)
2 球面 -43.25 1.29 - 16
3 球面 -21.73 4.00 JGS1 16
4 球面 27.54 3.00 - 16
5 球面 12.735 4.50 CAF2 16
6 球面 -99.527 3.00 - 16
7 球面 -76.65 4.00 JGS1 16
8 球面 8.93 51.00 - 16
9 像面 ∞ 0 - 0
本发明的第二光束模拟镜头1108的光学参数如下：
本发明的瞄准相机1110镜头的光学参数如下：
序号 面型 半径(mm) 厚度(mm) 玻璃 直径(mm)
1(物) 平面 ∞ 131.6 - 10
2(stop) 球面 8.55 3.00 H-ZK1 10(stop:6mm)
3 球面 58.00 0.80 10
4 球面 10.0595 3.00 H-ZK1 10
5 球面 -178.425 1.25 10(通光口径8mm)
6 球面 -12.00 2.20 ZF7L 10(通光口径8mm)
7 球面 7.00 7.21 10
8 球面 8.29 2.60 ZF7L 8
9 球面 167.01 3.08 8(通光口径5mm)
10 球面 -7.00 1.50 H-ZLAF2A 8(通光口径5mm)
11 球面 7.00 10.247 8
12 像面 ∞ 0 - 6
以下结合具体实施例进一步说明本发明的工作原理和工作过程：
首先将万向光束模拟头11送入靶室13中。分布于第一五棱镜1101左右两侧的瞄准相机1110都瞄准模拟靶点1109,当DIM12将万向光束模拟头11送入靶室13时，根据瞄准相机1110的图像位置判断万向光束模拟头11是否运送到位。
第二步：打开激光器1，并调整铰链分束镜2和铰链反射镜3。从激光器1出射的光束经铰链分束镜2分为两束，其中经铰链分束镜2的透射光经监测反射镜4反射后进入监测功率计5，监测功率计5监测激光器1是否稳定；铰链分束镜2的反射光经铰链反射镜3反射后，穿过DIM12尾端的真空密封窗6进入DIM12。通过配合调节铰链分束镜2和铰链反射镜3，使铰链反射镜3的反射光束同时穿过第一准直孔7和第二准直孔9，反射光束过孔情况可通过相应的第一监测相机8和第二监测相机10远程监视。
如图2所示，穿过第二准直孔9的输入光束依次经过第一五棱镜1101、第一直角棱镜1102、第二五棱镜1103、第二直角棱镜1104、第三直角棱镜1105、第四直角棱镜1106、第一光束模拟镜头1107或第二光束模拟镜头1108，由第一光束模拟镜头1107或第二光束模拟镜头1108将光束恰好会聚于模拟靶点1109，第一光束模拟镜头1107和第二光束模拟镜头1108通过电机切换使用。
由于模拟靶点1109设置在第一旋转关节1111的旋转轴和第二旋转关节1112的旋转轴的交汇处，因此无论这两个旋转关节如何旋转，模拟靶点1109的位置始终不变，仅会聚于模拟靶点1109处的光束的方向发生改变，这些会聚于模拟靶点1109处的各路模拟光束1114即可看作是从模拟靶点1109处发出的、具有不同方向的各路背向散射光。

Claims (4)

1.万向点光源模拟系统，包括激光器、铰链反射镜和DIM；其特征在于：还包括万向光束模拟头；所述铰链反射镜设置在激光器的输出光路上；所述DIM设置在铰链反射镜的反射光路上，铰链反射镜的反射光可通过DIM尾端的真空密封窗进入DIM；DIM的前部伸入靶室内，DIM的前端与所述万向光束模拟头固定连接；DIM上依次设置有第一准直孔、第一监测相机、第二准直孔和第二监测相机，其中第二准直孔靠近所述万向光束模拟头。
2.根据权利要求1所述的万向点光源模拟系统，其特征在于：所述万向光束模拟头包括第一旋转关节和第二旋转关节；所述第一旋转关节的旋转轴和第二旋转关节的旋转轴正交；所述第一旋转关节旋转轴和第二旋转关节旋转轴的轴线交汇处为模拟靶点；
所述第一旋转关节的旋转轴的轴线与经第一准直孔和第二准直孔准直路径后的输入光的光路重合，第一旋转关节可带动整个万向光束模拟头旋转；所述输入光的光路上设置有第一五棱镜；第一五棱镜的出射光路上设置有第一直角棱镜；第一直角棱镜的出射光路上设置有第二五棱镜；第二五棱镜的出射光路上设置有第二直角棱镜；第二直角棱镜的出射光路上设置有第三直角棱镜；第三直角棱镜的出射光路上设置有第四直角棱镜；第四直角棱镜的出射光路上设置有可通过电机切换的第一光束模拟镜头和第二光束模拟镜头，其中第二光束模拟镜头上胶合有遮挡片；
所述第二旋转关节位于第二五棱镜和第二直角棱镜之间，且第二旋转关节的旋转轴的轴线与第二五棱镜的出射光路重合；
所述第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机。
3.根据权利要求2所述的万向点光源模拟系统，其特征在于：所述直角棱镜由五棱镜替代。
4.根据权利要求1或2或3所述的万向点光源模拟系统，其特征在于：所述万向点光源模拟系统还包括铰链分束镜、监测反射镜和监测功率计；所述铰链分束镜设置在激光器的输出光路上，且保证铰链分束镜的反射光为所述铰链反射镜的入射光，监测反射镜设置在铰链分束镜的透射光路上，监测功率计设置在监测反射镜的反射光路上。
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