CN108344563A - 反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法，解决现有分幅相机的时间分辨率通过光纤阵列得到，使得激光束的脉冲展宽，降低了测量精度的问题。反射型光束分割延迟器包括依次叠加的多个反射镜，多个反射镜的反射面平行设置，呈直角台阶状排布；相邻两个反射面之间的距离为光程差的一半。同时，本发明提供的另一种反射型光束分割延迟器，其包括金属基体，金属基体的一侧设置有多个平行，呈直角台阶状排布的反射面；相邻两个反射面之间的距离为光程差的一半。此外，本发明还提供一种利用上述的反射型光束分割延迟器测量分幅相机的时间分辨率的方法。

Description

反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法。

背景技术

惯性约束聚变(Inertial Confined Fusion，ICF)的物理过程十分复杂，它的工作过程是将激光束聚焦到装有氘—氚燃料的微型靶丸上，在高温和高压作用下，靶丸内部的聚变燃料被压缩聚集至高密度，被压缩的高温高压等离子体在扩散之前完成全部核反应，并释放巨大的能量。在ICF诊断的研究中，测量等离子体温度和密度两维空间分布及其随时间的变化是研究的核心。这个过程是在数纳秒时间内完成，因此超快诊断设备必不可少，其中分幅相机和条纹相机由于具有皮秒级别的时间分辨能力，成为最有效的诊断设备之一。

随着ICF研究的发展，对诊断设备的精密化和可靠性要求也日益提高，诊断设备时间分辨率的标定结果直接关系到实验结果数据的正确性和可信度。各类时间诊断设备的时间分辨率已越来越高，如条纹相机时间分辨率小于10ps，分幅相机的时间分辨从原来的100ps左右提升至30ps甚至5ps。目前条纹相机的时间分辨率一般采用光学标准具测量，分幅相机的时间分辨率通过长度等差排列的光纤形成相同时间间隔的激光点阵列得到。但是现有的标定激光器，如8ps紫外激光器脉宽均在10ps量级，已经很难作为皮秒系统时间特性的精密标定源，因此激光器的脉宽对时间分辨的测量精度有重要的影响。采用光纤阵列测量分幅相机的时间分辨率，激光束经由光纤传输后，脉冲会产生展宽，从而降低了时间分辨率的测量精度。

发明内容

本发明的目的是解决现有分幅相机的时间分辨率通过光纤阵列得到，使得激光束的脉冲展宽，降低了测量精度的问题，提供一种反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法，该反射型光束分割延迟器用于分幅相机时间分辨测量，提高了测量精度。

本发明的技术方案是：

一种反射型光束分割延迟器，包括依次叠加的多个反射镜，多个反射镜的反射面平行设置，呈直角台阶状排布；相邻两个反射面之间的距离为光程差的一半。

进一步地，所述反射镜至少为六个。

同时，本发明提供的另一种反射型光束分割延迟器，反射型光束分割延迟器包括金属基体，所述金属基体的一侧设置有多个平行，呈直角台阶状排布的反射面；相邻两个反射面之间的距离为光程差的一半。

进一步地，构成台阶的两个面之间的棱边上设置有第一倒角。

进一步地，所述第一倒角为45°倒角。

进一步地，所述金属基体的底面与末级台阶的反射面的棱边上设有第二倒角。

进一步地，所述金属基体采用硬铝材料制作。

进一步地，所述金属基体至少设置有六个反射面。

此外，本发明还提供一种利用上述的反射型光束分割延迟器测量分幅相机的时间分辨率的方法：

时间延迟差Δt与光程差ΔL之间的关系，

Δt＝ΔL/v_g＝ΔL×n_g/c，

式中，v_g为光在介质中传输的速度，n_g为传输介质的折射率，c为光在真空中传输的速度；

相邻两个台阶反射面之间的距离Δl为光程差ΔL的一半，即Δl＝ΔL/2。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明反射型光束分割延迟器是基于ICF诊断设备标定而建立的，亚皮秒紫外标定激光器脉宽约0.5ps，反射型光束分割延迟器对输出的高功率亚皮秒紫外光束在空间上进行分割，产生光程等差延迟的子光束，辐射在分幅相机的微通道板上，形成系列带有等差时间延迟量的光斑，用于测量时间分辨率。不同的时间延迟量采用光程等差延迟的方式实现，时间延迟差Δt与光程差ΔL之间的关系Δt＝ΔL/v_g＝ΔL×n_g/c。光束分割延迟器设计为反射式台阶状结构，每一层不同的长度产生不同的光程，降低了对激光脉宽的影响，提高了测量精度。

2.本发明反射型光束分割延迟器为台阶状结构，所有反射面的平行度很高，经其反射后的子光束相对位置得到了保证。根据不同时间延迟的要求，设计不同的台阶长度差，相邻两个台阶之间的距离Δl为光程差ΔL的一半，即Δl＝ΔL/2，此种结构的优点是反射后的每个子光束的相对位置可以严格控制，提高了光束质量。

3.本发明采用金属一体式台阶状结构，将时间延迟通过光程延迟实现，每层台阶长度的加工精度可以达到0.01mm，相应的时间延迟精度达到0.067ps，精度远远大于电脉冲时标的方法，保证时间延迟的准确性；经其反射后的每个子光束的相对位置可以严格控制，相对于分离式的结构，大大提高了子光束质量，同时在光路中设置光阑，或采用倒角台阶式的结构，可以有效地控制子光束的尺寸和间距。

附图说明

图1本发明分离式光束分割延迟器结构示意图；

图2本发明直角台阶一体式光束分割延迟器结构示意图；

图3本发明倒角台阶一体式光束分割延迟器结构示意图；

图4本发明直角台阶一体式光束分割延迟器在光路中的工作示意图；

图5本发明倒角台阶一体式光束分割延迟器在光路中的工作示意图；

图6本发明光阑结构示意图。

附图标记：1-反射型光束分割延迟器，10-反射镜，11-反射面，12-第一倒角，13-第二倒角，14-金属基体，2-分幅相机，3-激光器，4-半透半反镜，5-光阑，51-矩形通光阵列。

具体实施方式

本发明反射型光束分割延迟器是基于ICF诊断设备标定而建立，对输出的高功率亚皮秒紫外光束在空间上进行分割，产生光程等差延迟的子光束，辐射在分幅相机的微通道板上，形成系列带有等差时间延迟量的光斑，用于测量时间分辨率。不同的时间延迟量采用光程等差延迟的方式实现，时间延迟差Δt与光程差ΔL之间的关系为Δt＝ΔL/v_g＝ΔL×n_g/c，式中，v_g为光在介质中传输的速度，n_g为传输介质的折射率，c为光在真空中传输的速度。光束分割延迟器设计为反射式台阶状结构，每一层不同的长度产生不同的光程。

为了得到若干个平行且分离的子光束，本发明提供了三种光束分割延迟器结构，三种均为台阶状反射结构。方案一为分离式光束分割延迟器；方案二为直角台阶式，经其反射的光束形成带有不同延迟量的子光束，再用光阑5对子光束进行分离；方案三为倒角台阶式，每个台阶的直角棱边设计有第一倒角，便于在不使用光阑的条件下实现子光束分离。

方案一

如图1所示，反射型光束分割延迟器包括多个不同长度的反射镜10，多个反射镜10依次叠加放置，多个反射镜10的反射面11平行，且呈直角台阶状排布；反射镜10至少为六个，相邻两个反射镜10的反射面11之间的距离为光程差的一半。

为了测量分幅相机2的时间分辨率，在分幅相机2的微通道板上至少需要六条带有等差延迟量的光斑，便于后期的数据采集与计算。由于分幅相机2的微通道板上微带的宽度为6mm，为了得到六个以上光程等差延迟的分离的子光束，每个子光束的宽度小于1mm。本发明采用分离式的玻璃材质，分别加工六个不同长度的反射镜10，然后依次堆放，反射面11形成台阶结构，这种形式便于加工。

方案二

如图2所示，上述方式每个反射镜10的厚度等于或者小于1mm，玻璃在加工过程中极易变形，且堆放后每片反射镜10由于受力不均匀等原因，经其反射后的六个子光束平行度和间距都会受到影响。

为解决上述的问题，本发明提供一种一体式的反射型光束分割延迟器，其包括金属基体14，金属基体14一侧设置有多个呈直角台阶状排布的反射面11，多个反射面11均平行设置。本方式为直角台阶式结构，采用金属制作，多个反射面一体加工。经此种结构反射的六个子光束之间无间隔，因此，在测量分幅相机2的时间分辨率时，在光束分割延迟器1前端或分幅相机2前端加入带有所需光斑尺寸的等量通光孔径的光阑5，实现子光束的分离，同时保证尺寸要求。

对于一体式台阶结构，若采用玻璃材质制作，台阶状的反射面11无法抛光，因此，本发明优选的采用金属材料制作一体式台阶状结构，经其反射后的子光束相对位置得到了保证。根据不同时间延迟的要求，设计不同的台阶长度差。相邻两个台阶反射面之间的距离Δl为光程差ΔL的一半，即Δl＝ΔL/2。此种结构的优点是反射后的每个子光束的相对位置可以严格控制，提高了光束质量。

方案三

如图3所示，此方案为方案二的进一步优化，具体为倒角台阶式结构，在每个台阶结构的反射面11和水平面之间的棱边上设计一个45°的第一倒角12，第一倒角12的尺寸可以根据反射面11所需的宽度尺寸而定，这样到达反射面11的光束一部分经倒角反射偏离光路，即满足了子光束的尺寸要求，也实现了子光束的分离。

同时，最长一层台阶结构由于宽度较小，加工和使用时易产生变形，导致最边缘的子光束位置偏离，因此可以加厚其宽度，并在末级台阶的反射面11和底面的棱边设有第二倒角13，满足子光束尺寸。

上述光束分割延迟器优选的采用硬铝等金属材料制作。光束分割延迟器具体可采用五轴单点金刚石车床加工，反射面11面型精度及粗糙度均能满足反射面11加工的要求。

如图4和图5所示，光束分割延迟器1在光路中为反射器件，且光束必须垂直入射至反射面11，否则台阶结构会导致反射的子光束在水平方向上产生错位。本发明采用的激光器3的脉宽约0.5ps，小于等于分幅相机2时间分辨的1/10。入射光束垂直入射至光束分割延迟器1的反射面11，反射光束与入射光束呈180°。为了避免分割后的光束原路返回，在反射面11前端呈45°放置一个半透半反镜4，半透半反镜4的非反射面镀增透膜，反射面镀50％的分束膜。入射光束经半透半反镜50％透射到达光束分割延迟器1的反射面11，经其反射后，入射光束分割为带有等差时间延迟量的子光束序列，反射光经半透半反镜4的反射面呈90°反射，到达分幅相机2的微通道板上。对于直角台阶式结构，可在图4中光束分割延迟器1前端或分幅相机2前端放置光阑5，实现子光束的分离。光阑5结构参见图6，光阑5上设置有矩形通光阵列51，光阑5的尺寸可以根据实际所需子光束的尺寸设计更改。子光束到达分幅相机2后，分幅相机2对其曝光时间内到来的子光束成像并记录，通过被记录子光束数目、时间间隔以及成像的强弱分布，得到分幅相机2的时间分辨率。

Claims (9)

1.一种反射型光束分割延迟器，其特征在于：包括依次叠加的多个反射镜(10)，多个反射镜(10)的反射面(11)平行设置，呈直角台阶状排布；相邻两个反射面(11)之间的距离为光程差的一半。

2.根据权利要求1所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：所述反射镜(10)至少为六个。

3.一种反射型光束分割延迟器，其特征在于：包括金属基体(14)，所述金属基体(14)的一侧设置有多个平行，呈直角台阶状排布的反射面(11)；相邻两个反射面(11)之间的距离为光程差的一半。

4.根据权利要求3所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：构成台阶的两个面之间的棱边上设置有第一倒角(12)。

5.根据权利要求4所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：所述第一倒角(12)为45°倒角。

6.根据权利要求3或4或5所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：所述金属基体(14)的底面与末级台阶的反射面(11)的棱边上设有第二倒角(13)。

7.根据权利要求6所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：所述金属基体(14)采用硬铝材料制作。

8.根据权利要求7所述的反射型光束分割延迟器，其特征在于：所述金属基体(14)至少设置有六个反射面(11)。

9.利用权利要求1至8任一所述的反射型光束分割延迟器测量分幅相机时间分辨率的方法，其特征在于：

时间延迟差Δt与光程差ΔL之间的关系为

Δt＝ΔL/v_g＝ΔL×n_g/c，

式中，v_g为光在介质中传输的速度，n_g为传输介质的折射率，c为光在真空中传输的速度；

相邻两个台阶反射面之间的距离Δl为光程差ΔL的一半，即Δl＝ΔL/2。