CN109959344A - 激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，属于共焦显微成像、原子力显微成像及激光惯性约束核聚变技术领域。本发明将激光差动共焦技术与原子力探针扫描探测技术结合，利用激光差动共焦技术对激光聚变靶丸表面和球心位置进行精密定焦获得靶丸外径，利用原子力探针对靶丸表面轮廓进行横向高分辨的扫描，通过激光差动共焦技术监测原子力探针的轴向位置从而实现对靶丸表面轮廓的高分辨探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得靶丸的表面三维高度分布，实现核聚变靶丸表面轮廓的高分辨探测。本发明能够在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。

Description

激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置
技术领域
本发明属于共焦显微成像、原子力显微成像及激光惯性约束核聚变技术领域，将激光差动共焦技术与原子力探针扫描探测技术结合，涉及一种激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。
技术背景
激光惯性约束核聚变(ICF)是人工模拟核爆和天体演化的重要手段，也是人类探索未来清洁能源的重要方向，因此具有十分重要科研和实用意义。激光惯性约束核聚变实验中，内部填充氘氚(DT)气体的空心激光聚变靶丸是其核心器件，多路激光同时对靶丸进行会聚向心压缩点火引发核爆，激光聚变靶丸的质量是决定激光聚变实验是否成功的关键。美国国家点火装置(NIF)进行的ICF试验失败的一个主要原因是点火过程中靶丸不对称压缩进而导致其中心压力和温度降低以及其内部氘氚(DT)燃料混合不均衡，靶丸表面的微小轮廓缺陷都有可能被放大产生不对称压缩进而导致点火失败，因此精确测量激光聚变靶丸的表面轮廓对于保证激光惯性约束核聚变实验的成功具有重要意义。
目前国际上用于激光聚变靶丸表面轮廓参数测量的方法主要采用各类显微镜进行观察，包括扫描电镜法、原子力显微镜法、光纤点衍射法和干涉法等，上述方法测量分辨力较高，但是仅可获得靶丸的表面形貌信息，无法获得其绝对轮廓；X射线投影法可以获得靶丸的界面圆轮廓，但是其分辨力较低；目前靶丸参数测量方法中尚无法实现靶丸表面轮廓的高分辨成像和三维检测。
随着激光惯性约束核聚变技术的发展和工程的推进，上述方法已经无法满足激光惯性约束核聚变技术研究对靶丸表面参数测量的需求，主要存在如下问题：
1)表面轮廓测量分辨力不足，靶丸表面的微小缺陷即会导致打靶过程中的放大，引起泰勒瑞利不稳定，现有方法不能满足靶丸打靶实验的检测需求；
2)无法获得靶丸表面三维轮廓，打靶过程中激光束从靶丸三维圆周各个角度入射，任何位置的缺陷均会造成影响，现有方法无法实现靶丸表面三维轮廓的测量需求；
3)不能测量获得靶丸表面绝对尺寸和三维绝对轮廓，现有方法仅可获得靶丸的表面形貌起伏，缺少靶丸的绝对尺寸信息，不能全面揭示靶丸制备和核聚变反应过程中发生的结构变化现象和规律；
而激光惯性约束核聚变研究中，靶丸的参数是对核聚变过程进行模拟仿真和对靶丸制备工艺进行提升的基础，因此如何对靶丸的表面轮廓进行高分辨的测量是激光惯性约束核聚变国家重大工程中的关键技术问题。
激光差动共焦技术利用双路差动探测结构显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，可实现靶丸的表面的高精度定焦测量，为靶丸绝对几何参数的高精度无损测量和轴向高度的监测提供了思路。
原子力探针扫描检测技术通过探针与靶丸表面的范德华力对靶丸表面进行高分辨的扫描，通过优化探针尺寸可实现纳米级横向分辨的扫描，通过激光差动共焦技术对原子力探针进行光强探测可以实现探针轴向位置的高精度绝对监测。
发明内容
本发明的目的是为了解决激光惯性约束核聚变靶丸表面轮廓高分辨测量难题，提供一种激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，以期实现探测外表面圆轮廓和三维轮廓信息，实现核聚变靶丸表面轮廓高分辨测量。
本发明能够为激光聚变靶丸三维轮廓的高分辨检测提供有效技术手段，对于靶丸制备、激光核聚变实验仿真、数据分析和技术革新具有重要意义。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法，其特征在于：利用激光差动共焦技术对聚变靶丸表面和球心位置进行精密定焦获得聚变靶丸外径，利用原子力探针对聚变靶丸表面轮廓进行横向高分辨的扫描，通过激光差动共焦技术监测原子力探针的轴向位置从而实现对聚变靶丸表面轮廓的高分辨探测，并进一步通过正交回转驱动技术对聚变靶丸进行三维回转驱动获得靶丸的表面三维高度分布，实现聚变靶丸表面轮廓的高分辨探测，具体包括以下步骤
步骤一、光源系统经过准直透镜准直为平行光束，平行光束透过分光镜A后由测量物镜会聚为一点照射到原子力探针背部并被反射回光路中，反射光束透过测量物镜后形成测量光束，测量光束被分光镜A反射进入差动共焦探测系统，在差动共焦探测系统中光束经过会聚镜会聚后被分光镜B分为两束，分别透过位于会聚镜焦点前的针孔A和焦点后的针孔B，并被分别位于针孔A和针孔B后的光电探测器A和光电探测器B接收。
步骤二、使计算机控制原子力探针驱动器带动原子力探针对聚变靶丸进行轴向扫描，同时计算机采集光电探测器A和光电探测器B接收到的光强信号并进行做差相减即得到差动共焦曲线，通过差动共焦曲线的线性区对原子力探针的轴向位置进行监测；
步骤三、使计算机检测原子力探针驱动器的反馈信号，利用原子力探针的接触力零位信号进行触发，采集记录光电探测器A和光电探测器B接收到的光强信号，并利用差动共焦曲线的线性区计算得到聚变靶丸表面光轴位置的高度zo；
步骤四、利用回转驱动系统驱动聚变靶丸进行水平回转一周，在聚变靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤一致步骤三，依次获得聚变靶丸水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo)i；
步骤五、利用正交回转系统驱动聚变靶丸进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤一致步骤四，依次获得聚变靶丸的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}；
步骤六、移除原子力探针驱动器和原子力探针，使计算机控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，同时计算机采集光电探测器A和光电探测器B接收到的光强信号，根据如下公式计算得到差动共焦曲线，通过差动共焦曲线的依次对聚变靶丸的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸的内、外表面以及球心位置重合时，I(z,uM)的值为零，监测I(z,uM)的强度，依次记录I(z,uM)的过零点位置的z坐标zo,zi和zc，即可得到聚变靶丸对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标zo,zi和zc；
其中I(z,+uM)和I(z,-uM)分别为光电探测器A和光电探测器B接收到的光强信号，I(z,uM)为归一化差动信号，通过归一化差动信号得到的差动共焦曲线可以有效抑制聚变靶丸表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸进行准确的定焦；
步骤七、利用聚变靶丸的外表面以及球心的光学坐标zo和zc计算得到聚变靶丸的外径R：
R＝|zo-zc|
步骤八、计算机对聚变靶丸的三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}和外径R进行三维重构和拟合计算即可得外表面三维轮廓参数，实现核聚变靶丸表面轮廓的高分辨三维测量。
步骤六和步骤七所述的利用差动共焦光路对聚变靶丸进行外表面曲率半径R测量置于步骤一之前；
步骤八所述的计算过程还可通过对三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}进行外表面球面拟合计算得到聚变靶丸的外表面曲率半径平均值Ro-ave，修正步骤七计算得到的外表面曲率半径值R以提高测量精度。
本发明公开的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，包括光源系统、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜、分光镜A、测量物镜、原子力探针，位于分光镜反射方向的差动共焦探测系统，位于原子力探针针尖方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统，对原子力探针进行驱动的原子力探针驱动器、对测量物镜进行轴向驱动的物镜驱动系统和数据进行采集处理的计算机。
光源系统包括激光器、位于激光器出射方向的光源会聚镜、位于光源会聚镜焦点位置的光源针孔。
差动共焦系统包括会聚镜，位于会聚镜透射方向的分光镜B、针孔A和光电探测器A，位于分光镜B反射方向的针孔B和光电探测器B，其中针孔A和针孔B分别相对于会聚镜的焦点前、后等量反向离焦。
光源系统和准直镜还可以位于反射镜A的反射方向；差动共焦系统位于反射镜A的透射方向。
正交驱动系统还可以置于回转轴线与回转驱动系统和光轴均垂直的位置，且正交驱动系统回转轴线、回转驱动系统的回转轴线和光轴三者垂直相交于聚变靶丸的球心位置。
有益效果：
1、激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，利用原子力探针对激光聚变靶丸的表面轮廓高度进行扫描检测，能够实现对靶丸表面的纳米级横向分辨的扫描与检测。
2、激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，利用激光差动共焦轴向强度曲线的线性区对原子力探针进行轴向位置的高精度监测，结合三维扫描驱动进而获得靶丸表面的形貌参数。
3、激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，利用激光差动共焦技术对靶丸表面和球心位置进行高精度定焦，获得靶丸的外径信息，与表面三维形貌信息融合得到靶丸表面的绝对轮廓参数，实现轮廓参数的三维高空间分辨成像与检测。
4、激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置，通过多种技术的有机融合，实现对聚变靶丸在一台仪器上通过一次装调测量得到几何尺寸和轮廓参数，测量基准统一、测量精度匹配，可以为聚变靶丸的参数换算和表征提供基础。
附图说明
图1为本发明激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法示意图；
图2为本发明激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法示意图；
图3为本发明激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置示意图；
图4为本发明的实施例激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法与装置示意图；
图5为激光差动共焦轴向强度曲线；
图6为激光差动共焦聚变靶丸高分辨三维轮廓测量图；
其中：1-光源系统、2-准直透镜、3-分光镜A、4-物镜驱动系统、5-测量物镜、6-差动共焦探测系统、7-会聚镜、8-分光镜B、9-针孔A、10-光电探测器A、11-针孔B、12-光电探测器B、13-聚变靶丸、14-正交驱动系统、15-回转驱动系统、16-计算机、17-差动共焦曲线、18-激光器、19-光源会聚镜、20-光源针孔、21-原子力探针、22-原子力探针驱动器、23-线性区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图4所示，在激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法中，光源系统1发出的发散光经过准直透镜2准直为平行光束，平行光束透过分光镜A3后由测量物镜5会聚为一点照射到原子力探针21背部并被反射回光路中，反射光束透过测量物镜5后形成测量光束，测量光束被分光镜A3反射进入差动共焦探测系统6，在差动共焦探测系统6中光束经过会聚镜7会聚后被分光镜B8分为两束，分别透过位于会聚镜7焦点前的针孔A9和焦点后的针孔B11，并被分别位于针孔A9和针孔B11后的光电探测器A10和光电探测器B12接收。
使计算机16控制原子力探针驱动器22带动原子力探针21对聚变靶丸13进行轴向扫描，同时计算机16采集光电探测器A10和光电探测器B12接收到的光强信号并进行做差相减即可得到差动共焦曲线17，通过差动共焦曲线17的线性区23对原子力探针21的轴向位置进行监测；
使计算机16检测原子力探针驱动器22的反馈信号，利用原子力探针21的接触力零位信号进行触发，采集记录光电探测器A10和光电探测器B12接收到的光强信号，并利用差动共焦曲线17的线性区23计算得到聚变靶丸13表面光轴位置的高度zo；
利用回转驱动系统15驱动聚变靶丸13进行水平回转一周，在聚变靶丸13水平圆周上的各个点位置重复上述采集步骤，依次获得聚变靶丸13水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo)i；
利用正交回转系统14驱动聚变靶丸13进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复上述采集步骤，依次获得聚变靶丸13的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}；
步骤六、移除原子力探针驱动器(22)和原子力探针(21)，使计算机(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，同时计算机(16)采集光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，根据如下公式计算得到差动共焦曲线(17)，通过差动共焦曲线(17)的依次对聚变靶丸(13)的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸(13)的内、外表面以及球心位置重合时，I(z,uM)的值为零，监测I(z,uM)的强度，依次记录I(z,uM)的过零点位置的z坐标zo,zi和zc，即可得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标zo,zi和zc；
其中I(z,+uM)和I(z,-uM)分别为光电探测器A10和光电探测器B12接收到的光强信号，I(z,uM)为归一化差动信号，通过归一化差动信号得到的差动共焦曲线17能够有效抑制聚变靶丸13表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸13进行准确的定焦；
利用聚变靶丸13的外表面以及球心的光学坐标zo和zc计算得到聚变靶丸13的外径R：
R＝|zo-zc|
计算机16对聚变靶丸13的三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}和外径R进行三维重构和拟合计算即得外表面三维轮廓参数，实现核聚变靶丸13表面轮廓的高分辨三维测量。
实验测量得到的靶丸高分辨三维轮廓图如图6所示。
激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，包括光源系统1、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜2、分光镜A3、测量物镜5、原子力探针21，位于分光镜3反射方向的差动共焦探测系统6，位于原子力探针21针尖方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统14，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统15，对原子力探针22进行驱动的原子力探针驱动器21、对测量物镜5进行轴向驱动的物镜驱动系统4和数据进行采集处理的计算机16；光源系统1包括激光器18、位于激光器18出射方向的光源会聚镜19、位于光源会聚镜19焦点位置的光源针孔20；差动共焦系统6包括会聚镜7，位于会聚镜7透射方向的分光镜B8、针孔A9和光电探测器A10，位于分光镜B8反射方向的针孔B11和光电探测器B12，其中针孔A9和针孔B11分别相对于会聚镜7的焦点前、后等量反向离焦。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法，其特征在于：利用激光差动共焦技术对聚变靶丸(13)表面和球心位置进行精密定焦获得聚变靶丸(13)外径，利用原子力探针对聚变靶丸(13)表面轮廓进行横向高分辨的扫描，通过激光差动共焦技术监测原子力探针的轴向位置从而实现对聚变靶丸(13)表面轮廓的高分辨探测，并进一步通过正交回转驱动技术对聚变靶丸(13)进行三维回转驱动获得靶丸的表面三维高度分布，实现聚变靶丸(13)表面轮廓的高分辨探测，包括以下步骤：
步骤一、光源系统(1)经过准直透镜(2)准直为平行光束，平行光束透过分光镜A(3)后由测量物镜(5)会聚为一点照射到原子力探针(21)背部并被反射回光路中，反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束被分光镜A(3)反射进入差动共焦探测系统(6)，在差动共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚后被分光镜B(8)分为两束，分别透过位于会聚镜(7)焦点前的针孔A(9)和焦点后的针孔B(11)，并被分别位于针孔A(9)和针孔B(11)后的光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收；
步骤二、使计算机(16)控制原子力探针驱动器(22)带动原子力探针(21)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，同时计算机(16)采集光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号并进行做差相减即得到差动共焦曲线(17)，通过差动共焦曲线(17)的线性区(23)对原子力探针(21)的轴向位置进行监测；
步骤三、使计算机(16)检测原子力探针驱动器(22)的反馈信号，利用原子力探针(21)的接触力零位信号进行触发，采集记录光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，并利用差动共焦曲线(17)的线性区(23)计算得到聚变靶丸(13)表面对应光轴位置的高度zo；
步骤四、利用回转驱动系统(15)驱动聚变靶丸(13)进行水平回转一周，在聚变靶丸(13)水平圆周上的各个点位置重复步骤一致步骤三，依次获得聚变靶丸(13)水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo)i；
步骤五、利用正交回转系统(14)驱动聚变靶丸(13)进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤一致步骤四，依次获得聚变靶丸(13)的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}；
步骤六、移除原子力探针驱动器(22)和原子力探针(21)，使计算机(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，同时计算机(16)采集光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，根据如下公式计算得到差动共焦曲线(17)，通过差动共焦曲线(17)的依次对聚变靶丸(13)的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸(13)的内、外表面以及球心位置重合时，I(z,uM)的值为零，监测I(z,uM)的强度，依次记录I(z,uM)的过零点位置的z坐标Zo,Zi和Zc，即得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；
其中I(z,+uM)和I(z,-uM)分别为光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，I(z,uM)为归一化差动信号，通过归一化差动信号得到的差动共焦曲线(17)有效抑制聚变靶丸(13)表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸(13)进行准确的定焦；
步骤七、利用聚变靶丸(13)的外表面以及球心的光学坐标zo和zc计算得到聚变靶丸(13)的外径R：
R＝|zo-zc|
步骤八、计算机(16)对聚变靶丸(13)的三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}和外径R进行三维重构和拟合计算即可得外表面三维轮廓参数，实现核聚变靶丸表面轮廓的高分辨三维测量。
2.根据权利要求1所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法，其特征在于：步骤六和步骤七所述的利用差动共焦光路对聚变靶丸(13)进行外表面曲率半径R测量置于步骤一之前。
3.根据权利要求1所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量方法，其特征在于：步骤八所述的计算过程还通过对三维物理坐标点集合{[(zo)i]j}进行外表面球面拟合计算得到聚变靶丸(13)的外表面曲率半径平均值Ro-ave，修正步骤七计算得到的外表面曲率半径值R以提高测量精度。
4.激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，其特征在于：包括光源系统(1)、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜(2)、分光镜A(3)、测量物镜(5)、原子力探针(21)，位于分光镜(3)反射方向的差动共焦探测系统(6)，位于原子力探针(21)针尖方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统(14)，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统(15)，对原子力探针(22)进行驱动的原子力探针驱动器(21)、对测量物镜(5)进行轴向驱动的物镜驱动系统(4)和数据进行采集处理的计算机(16)。
5.根据权利要求4所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，其特征在于：光源系统(1)包括激光器(18)、位于激光器(18)出射方向的光源会聚镜(19)、位于光源会聚镜(19)焦点位置的光源针孔(20)。
6.根据权利要求4所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，其特征在于：差动共焦系统(6)包括会聚镜(7)，位于会聚镜(7)透射方向的分光镜B(8)、针孔A(9)和光电探测器A(10)，位于分光镜B(8)反射方向的针孔B(11)和光电探测器B(12)，其中针孔A(9)和针孔B(11)分别相对于会聚镜(7)的焦点前、后等量反向离焦。
7.根据权利要求4所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，其特征在于：光源系统(1)和准直镜(2)位于反射镜A(3)的反射方向；差动共焦系统(6)位于反射镜A(3)的透射方向。
8.根据权利要求4所述的激光差动共焦原子力核聚变靶丸表面轮廓测量装置，其特征在于：正交驱动系统(14)还可以置于回转轴线与回转驱动系统(15)和光轴均垂直的位置，且正交驱动系统(14)回转轴线、回转驱动系统(15)的回转轴线和光轴三者垂直相交于聚变靶丸(13)的球心位置。
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