CN111595821A - 一种紧凑、三波长的icf靶丸表征系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统及方法，其中，ICF靶丸表征系统包括干涉检测光路和背光投影检测光路，具体包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、非偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、待测靶丸、第一二向色镜、第二二向色镜、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、监控相机、LED、成像镜、线偏振片、CCD图像传感器和电脑。利用本发明，可以实现ICF靶丸的在线表征。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统及方法。
背景技术
惯性约束核聚变(ICF)是实现可控核聚变的主流方案之一，在核聚变研究中具有重大意义。作为其核心的靶丸是一个由球壳、冰层及燃料气体等组成的多层球形。对该靶丸表征关键的一步，就是确定靶丸各层的折射率与厚度。
针对靶丸各层的表征，国内外学者进行了大量的研究。中国工程物理研究院激光聚变研究中心使用的X射线照相法(Wang K,Lei H,Li J,et al.Characterization ofinertial confinement fusion targets using X-ray phase contrast imaging[J].(Optics Communications,2014,VOL.332:P9～13.))可以在不被各层折射率干扰下直接测得各层的厚度，但是却没办法获取各层的折射率。且因为X射线照相法需要花费数分钟来曝光，也更容易受到环境的干扰。美国通用原子中心使用折射率液匹配法(Alfonso E L,Clark A A,Steinman D A,et al.Techniques to Measure the Refractive Index ofGDP and Ge-Doped GDP with Monochromatic Light[J].(Fusion Science andTechnology,2011,59(1):116-120))可以实现靶丸外层折射率的直接测量，但是对于内层却没有办法。低相干共聚焦干涉显微方法(Wang L,Qiu L,Zhao W,et al.Laserdifferential confocal inner-surface profile measurement method for an ICFcapsule[J].(Optics Express,2017,VOL.25，No.23:P28510～28523))可以同时测量各层的折射率与厚度。但是，由于其测量时需要对冰层进行聚焦，可能会对冰层造成损伤。干涉法和背光投影法都可以获取靶丸的球壳/冰层的折射率或厚度。但是，获得的折射率和厚度信息耦合在了一起。对于这两种方法，必须知道折射率或厚度中的其中一个信息，另一个才可获取。
为了解决该问题，一种基于光程差与光线偏折的迭代方法(Yan T,Liu D,Shen X,et al.ICF target DT-layer refractive index and thickness from iterativeanalysis[J].(Optics express,2018,26(14):17781-17793))被提出来同时获取靶丸各层的折射率与厚度。然而，之前的系统偏实验性，由容易随着时间漂移的光学元件组成，不够稳固；且之前的系统也不够紧凑，无法用于靶丸在线检测；此外，该系统为单波长，只可得到单一波长下冰层的折射率，无法研究冰层的色散的特性，也无法进一步得出冰层的密度。
因此设计出一套紧凑、三波长ICF靶丸表征系统是很有必要的。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，可以实现在线、三波长的ICF靶丸表征。
一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括干涉检测光路和背光投影检测光路，所述干涉检测光路的光源包括第一激光器、第二激光器和第三激光器；干涉检测光路中，第一激光器发出的激光依次经过第一准直镜、第四反射镜、第一二向色镜和第二二向色镜，第二激光器发出的激光依次经过第二准直镜、第一二向色镜和第二二向色镜，第三激光器发出的激光依次经过第三准直镜和第二二向色镜，三个激光器发出的激光在经过第二二向色镜后实现共路；共路的光经过第一偏振分束镜后分为两束，透射的一束经过非偏振分束镜后反射，通过待测靶丸，并射入第二偏振分束镜；反射的一束经过第三反射镜反射后，同样射入第二偏振分束镜，两路光经过第二偏振分束镜合束后，经过成像镜被第二反射镜反射并穿过线偏振片后，成像到CCD图像传感器上；
所述背光投影检测光路的光源为LED，背光投影检测光路中，LED发出的准直光束经过非偏振分束镜后分为两束：一束出射到系统之外；一束穿过待测靶丸后，再依次穿过第二偏振分束镜和成像镜，被第二反射镜反射并穿过线偏振片，在CCD图像传感器上成像；
所述的CCD图像传感器与电脑连接，用于获取干涉检测光路产生的干涉图和背光投影检测光路产生的背光投影图。
本发明的系统还包括监控相机，用于在将待测靶丸插入系统时，对输送待测靶丸的送靶装置进行观测。
第一激光器、第二激光器和第三激光器均为单模光纤激光器，波长分别为1064nm，785nm，532nm。这些激光器可以通过配套软件完成开关控制，无需对物理开关进行手动操作。
为了实现三波长系统，设计了三光源耦合光路部分，第一准直镜出射的1064nm的激光经过第四反射镜反射后，经过第一二向色镜透射，并再经过第二二向色镜反射后，射向第一偏振分束镜；第二准直镜出射的785nm的激光经过第一二向色镜反射后，经过第二二向色镜反射后，射向第一偏振分束镜；第三准直镜出射的532nm的激光经过第二二向色镜透射后，射向第一偏振分束镜。
所述第一二向色镜的透射带为932-1300nm，反射带为400-872nm，所述第二二向色镜的透射带为400-633nm，反射带长为685-1600nm。经过这样的设计，干涉部分的三个光源的激光最终都射向了第一偏振分束镜，进入了后续的干涉部分，完成了三个光源的合束。
所述的线偏振片可以根据不同透光率的靶丸进行旋转，从而保证干涉图的最大对比度。所述的成像镜采用10倍放大的超长波段消色差的显微物镜，从而保证了系统的分辨率以及最大程度降低了色差的影响。所述的CCD图像传感器采用18.128×13.596mm的大像面及5.5μm的像素尺寸，最终测得的系统分辨率和视场分别为2μm和1.95×1.46mm。
整个系统的基座底部设置有转接，从而可以与真空腔内的其他部分转接耦合。
第一激光器、第二激光器、第三激光器和LED这四个光源同时只能打开一个；
获取干涉图时，待测靶丸的后表面、成像镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸的纵向截面、成像镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系。
本发明还提供了一种ICF靶丸表征方法，采用上述紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括以下步骤：
(1)搭建ICF靶丸表征系统；
(2)在开始干涉检测和背光投影测试之前，利用送靶装置将靶丸插入系统，并且准确地定位在物像共轭位置；
(3)当靶丸定位完成后，分别打开LED(18)、第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)，采集背光投影图和三个波长的干涉图；
(4)根据两个光路结构所采集到背光投影图和干涉图，通过以下求解以下公式，从而求得靶丸的折射率与厚度：
式中，前三式描述了通过靶丸的光的光程差信息，x1，x2分别为两条光线的入射高度，其所对应的出射光线高度分别为r1，r2，而Δx1，Δx2分别为光线经过靶丸偏折的高度；OPL表示对应光线经过靶丸的光程，OPD为两条光线的光程差；后三式描述了通过靶丸的光的光线偏折信息，X2为亮环高度，X为其对应的入射光线的高度，Y2为出射光线横向偏移距离，X1为出射光线高度，
为出射光线偏折角度；n2与t2为靶丸的冰层折射率与厚度；在该式中，未知数为x1，x2，X，n2与t2，其他参数可从背光投影图与干涉图测得，或可根据光线追迹推导表示；
(5)计算出三个波长对应的折射率后，代入柯西色散公式：
n＝A-B/λ2+C/λ4 (2)
式中，λ为波长，n为此波长对应折射率，A，B，C为常数系数；
根据三个波长的折射率列出三个方程，从而求解出柯西色散公式中三个系数A，B，C的值，于是得到了靶丸内冰层折射率随波长变化的关系，即冰层的色散特性；
(6)根据靶丸内冰层的色散特性，求解得到550nm下的冰层折射率；在550nm波长下，其折射率与密度的关系为：
n＝1+A′ρ (3)
式中，对于不同的同位素、不同物态以及不同的气体密度，A′是不相同的，而是有一个范围变化：A′＝3.15±0.12；对于固态的冰层，A′是一个与分子量有关的函数，即：
A′＝[3.195-0.015(M-2)]×10-6m3/mol (4)
其中，M是被测材料的分子量，计算获得靶丸内冰层的折射率后，进一步获得冰层的密度信息。
在搭建ICF靶丸表征系统时，需要对干涉检测光路的光源进行调整，以保证三个光源的确共路(即没有平移、倾斜方向的偏差)，具体过程如下：
(1-1)将系统中的CCD图像传感器先用于来辅助光源调节，非偏振分束镜的透光方向后方安装导轨和CCD图像传感器，使CCD图像传感器可以在导轨上前后移动；将第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、第四反射镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一偏振分束镜、非偏振分束镜安装完成后，开始进行三波长光源共路的微调；
(1-2)依次对三个光源进行调节，首先打开第三激光器，调节CCD图像传感器的高度和横向位置，使得第三激光器(3)的激光光斑位于CCD图像传感器接收面中心；沿导轨前后移动该CCD图像传感器，若光斑从中心移到了其他位置，则调整第三准直镜的角度；继续沿导轨前后移动CCD图像传感器，直到光斑在接收面上的位置稳定不变；
(1-3)打开第二激光器，沿导轨前后移动CCD图像传感器，调节第二准直镜的角度，以及第一二向色镜、第二二向色镜的角度，并且在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到第二激光器的光斑与第三激光器的光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移动，说明两路激光光束已经平行且重合；
(1-4)打开第一激光器，调节第一准直器以及第四反射镜的角度，在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到此激光器光斑与另外两路光斑重合，且不随CCD的移动而移动，说明三路激光光束已经平行且重合，从而完成三路光源共路的初步调整；
(1-5)完成ICF靶丸表征系统所有部分的搭建后，开始三路光源共路的细调整；在靶丸插入前依次打开各激光光源，并且调节第三反射镜，使得CCD图像传感器所接收到的干涉条纹最为稀疏，尽量均匀一片；
若是三个光源所对应的干涉图并未同时均匀一片，或者三个干涉图中的干涉条纹方向不一致、疏密程度与波长不符，则说明三路光源依然没有完全共路；对前述初步调整过程中涉及到的器件继续进行小心的精细调整，直至达到三光源所对应干涉图同时均匀一片或干涉条纹一致且疏密满足波长关系，此时完成了三路光源共路的细调整。
当式(1)所要求的靶丸外半径未知时，利用系统中背光投影检测光路来求解；背光投影检测光路是一个成像光路，通过预先标定成像放大倍率，从而根据像面上靶丸外半径对应像素数，反推出靶丸外半径的大小；
当式(1)所要求的靶丸球壳折射率与厚度未知时，通过将式(1)中的n2与t2设为0，以n1与t1作为未知数求解，从而在测量单层靶丸的同时测得单层靶丸的球壳折射率与厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明首次提出一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，可以同时测得靶丸球壳/冰层的折射率与厚度；
2.本发明提出的ICF靶丸表征系统，结构紧凑、稳定，从而可以放置于真空腔体内，对ICF靶丸进行在线检测。
3.本发明提出的ICF靶丸表征系统可以对待测靶丸实现三波长检测，从而可以获取冰层的色散特性，进而求解得到冰层的密度。
4.本发明提出的ICF靶丸表征系统采用单帧采集方式，使得靶丸定位完成后，全部的数据采集、数据处理过程不超过0.5分钟。
5.本发明具有可以在完全未知靶丸任何参数时进行测量，具有很高的适用范围和实用性。
附图说明
图1为本发明一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统的整体结构示意图；
图2为本发明干涉检测光路中三个激光光源的共路调节示意图；
图3为本发明ICF靶丸表征系统的送靶方法示意图；
图4为本发明ICF靶丸表征系统的ICF靶丸表征方法的原理图；
图5为本发明实施例中采集到的单层靶丸实验图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、第一准直镜4、第二准直镜5、第三准直镜6、非偏振分束镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜11、待测靶丸12、第一二向色镜13、第二二向色镜14、第一偏振分束镜15、第二偏振分束镜16、监控相机17、LED18、成像镜19、线偏振片20、CCD图像传感器21、电脑22。
所述的第一准直镜6、监控相机17、第二准直镜5、第三准直镜4、CCD图像传感器21纵向放置为一列，端口朝同侧，但不要求严格对齐。第一准直镜6、第二二向色镜14、第一偏振分束镜15、非偏振分束镜7沿一水平线放置。
其中，第二二向色镜14与第一准直镜4的出光口呈45°放置，非偏振分束镜7与第一偏振分束镜15的透射出光口呈45°放置。第二准直镜5与第一二向色镜13沿同一水平线依次摆放，第一二向色镜13的反射面与第二准直镜5的出光口呈45°放置。第三准直镜4与第四反射镜11的沿水平线依次摆放，第四反射镜11的反射面与第三准直镜6的出光口呈45°放置。LED18与第一反射镜8沿同一水平线依次摆放，第一反射镜8的反射面与LED18的出光口呈45°放置。CCD图像传感器21、线偏振片20、第二反射镜9沿水平线依次摆放，CCD图像传感器21的收光口与线偏振片20的透光口对齐，第二反射镜9与线偏振片20的透光口呈45°放置。第三反射镜10与第二偏振分束镜16沿同一水平线放置，第三反射镜10与第二偏振分束镜16呈45°放置。第一反射镜8、非偏振分束镜7、第二偏振分束镜16、成像镜19、第二反射镜9沿纵向依次摆放，非偏振分束镜7与第一反射镜8的反射光方向呈45°放置，第二偏振分束镜16与分束镜7呈45°放置，第二偏振分束镜16与成像镜19的入光口对齐放置，第二反射镜9与成像镜19的出光口呈45°放置。第一偏振分束镜15、第三反射镜10沿纵向摆放，第三反射镜10与第一偏振分束镜15的呈45°放置。第二二向色镜14、第一二向色镜13、第四反射镜11沿纵向摆放，均呈45°方向放置。CCD图像传感器21与电脑22连接，用于获取干涉图和背光投影图。
三个波长不同的光纤激光器和高功率LED分别作为干涉检测光路和背光投影检测光路的光源，四个个光源同时只能打开一个。
获取干涉图时，待测靶丸12的后表面、成像镜19、CCD图像传感器21三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸12的纵向截面、成像镜19、CCD图像传感器21三者的设置距离满足成像共轭关系。
为了实现三波长系统，设计了三光源耦合光路部分，如图1中方框部分所示。第一准直镜4出射的1064nm的激光经过第四反射镜11反射后，经过第一二向色镜13透射，并再经过第二二向色镜14反射后，射向第一偏振分束镜15。第二准直镜5出射的785nm的激光经过第一二向色镜13反射后，经过第二二向色镜14反射后，射向第一偏振分束镜15；第三准直镜6出射的532nm的激光经过第二二向色镜14透射后，射向第一偏振分束镜15。第一二向色镜13的透射带为932-1300nm，反射带为400-872nm，第二二向色镜14的透射带为400-633nm，反射带长为685-1600nm。经过这样的设计，干涉部分的三个光源的激光最终都射向了第一偏振分束镜，进入了后续的干涉部分，完成了三个光源的合束。
基于上述ICF靶丸表征系统，一种ICF靶丸表征方法包括以下步骤：
步骤1：搭建ICF靶丸表征系统
1-1.干涉检测光路：
在干涉检测光路中，如图1，从第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3发出的激光分别经过第一准直镜4、第二准直镜5、第三准直镜6变成准直光束，分别经由第四反射镜11、第一二向色镜13、第二二向色镜14后，从而三个波长的激光实现共路。共路的光经过第一偏振分束镜分为两束：透射的一束经过分束镜后反射，通过待测靶丸12，并射入第二偏振分束镜16；反射的一束经过第三反射镜10反射后，同样射入第二偏振分束镜16。两路光经过第二偏振分束镜16合束后，经过成像镜19，被第二反射镜9反射并穿过线偏振片20后，成像到CCD图像传感器21上，得到干涉图；其中，待测靶丸12的后表面、成像镜19、CCD图像传感器21的距离满足成像共轭关系。
安装干涉检测光路时，需要对干涉检测光路的光源进行调整，具体过程如下：
如图2所示，将系统中的CCD图像传感器21先用于辅助光源调节，非偏振分束镜7的透光方向后方安装导轨23和CCD图像传感器，使CCD图像传感器可以在导轨上前后移动；将第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、第一准直镜4、第二准直镜5、第三准直镜6、第四反射镜11、第一二向色镜13、第二二向色镜14、第一偏振分束镜15、非偏振分束镜7安装完成后，开始进行三波长光源共路的微调。
依次对三个光源进行调节，首先打开第三激光器3，调节CCD图像传感器的高度和横向位置，使得第三激光器3的激光光斑位于CCD图像传感器的接收面24的中心；沿导轨前后移动该CCD图像传感器，若光斑从中心移到了其他位置，则调整第三准直镜6的角度；继续沿导轨前后移动CCD图像传感器，直到光斑在接收面24上的位置稳定不变。
随后打开第二激光器2，沿导轨前后移动CCD图像传感器，调节第二准直镜5的角度，以及第一二向色镜13、第二二向色镜14的角度，并且在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到第二激光器2的光斑与第三激光器3的光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移动，说明两路激光光束已经平行且重合；
随后打开第一激光器1，调节第一准直器4以及第四反射镜11的角度，在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到此激光器光斑与另外两路光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移动，说明三路激光光束已经平行且重合，从而完成三路光源共路的初步调整；
完成ICF靶丸表征系统所有部分的搭建后，开始三路光源共路的细调整；在靶丸插入前依次打开各激光光源，并且调节第三反射镜，使得CCD图像传感器所接收到的干涉条纹最为稀疏，尽量均匀一片。若是三个光源所对应的干涉图并未同时均匀一片，或者三个干涉图中的干涉条纹方向不一致、疏密程度与波长不符，则说明三路光源依然没有完全共路；对前述初步调整过程中涉及到的器件继续进行小心的精细调整，直至达到三光源所对应干涉图同时均匀一片或干涉条纹一致且疏密满足波长关系，此时完成了三路光源共路的细调整。
1-2.背光投影检测光路：
在背光投影检测光路中，将三个激光器光源关闭，打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过非偏振分束镜7后分为两束：一束出射到装置之外；一束穿过待测靶丸12后再穿过第二偏振分束镜16，成像镜19后，被第二反射镜9反射并穿过线偏振片20，在CCD图像传感器21上成像，得到背光投影图；将从CCD图像传感器21获取的背光投影图和干涉图在电脑中进行处理；其中，移动待测靶丸12以使待测靶丸12的纵向截面、成像镜19、CCD图像传感器21的距离满足成像共轭关系。
步骤2：本实施例的ICF靶丸表征，空间尺寸为375×270×77mm，基座材料为钛合金。第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3均为单模激光器，波长分别为1064nm，785nm，532nm。第一二向色镜13、第二二向色镜14选择了合适的透光和分光波长，从而可以使其准确地分开三束光的波长；线偏振片20可以根据不同透光率的靶丸进行旋转，从而保证干涉图的最大对比度；成像镜19选用了10倍放大的超长波段消色差的显微物镜，从而保证了系统的分辨率以及最大程度降低了色差的影响。CCD图像传感器21选用了18.128×13.596mm的大像面及5.5μm的像素尺寸，最终测得的系统分辨率和视场分别为2μm和1.95×1.46mm。系统基座底部设置有转接，从而可以与真空腔内的其他部分转接，与整体系统耦合。
步骤3：在开始干涉检测和背光投影测试之前，需要利用送靶装置将靶丸插入系统，并且准确地定位在物像共轭位置。送靶过程通过监控相机17和CCD图像传感器21的辅助来完成。在整个送靶过程，打开LED18用于照明。在初送靶过程，当待测靶丸12通过送靶装置沿z轴从外部插入系统时，如图3中(a)所示，送靶装置的移动通过监控相机17来观测。通过自编配套图像处理程序标出了安全区域和送靶装置区域，大幅避免了潜在的碰撞可能。如图3中的(b)与(c)所示，安全区域用红色标出，而送靶装置轮廓用绿色标出。当背光投影图出现在CCD图像传感器的中心区域时，初定位过程结束。
在细定位过程，使用CCD图像传感器21观测沿x轴的定位。首先将待测靶丸12沿x轴移动，直至背光投影图用人眼观测判断，图上的亮环最锐。随后，通过每次以3um的间隔对靶丸沿x轴进行依次移动，直至找出锐度最大处的位置。当待测靶丸12位于此处时，待测靶丸12的纵向截面与CCD图像传感器21的像面共轭。待测靶丸12的锐度通过配套程序计算。
步骤4：当靶丸定位完成后，分别打开背光投影光源、三个波长的激光光源灯，采集背光投影图和三个波长的干涉图。其中，由于背光投影路的共轭位置与干涉路的共轭位置不一致。当背光图采集完成后，要控制靶丸再次移动以使其处于干涉路的物像共轭位置。图4(a)、(b)展现了干涉法和背光投影法的光线追迹，(c)、(d)为所采集到的对应的背光投影图和干涉图。由此得到以下公式，从而求得靶丸的折射率与厚度：
式中，所用到的已知或未知参数或变量见表1；已知参数为提前测得或可在实验中从背光投影图或干涉图中测得，未知变量为本式中的待求变量。未在表格中列出的变量，可通过光线追迹推导，由表格参数中列出的参数或变量表达。
表1
步骤5：计算出三个波长的折射率后，代入柯西色散公式，
n＝A-B/λ2+C/λ4, (6)
式中，λ为波长，n为此波长对应折射率，A，B，C为常数系数，与不同材料的性质有关。因此，根据三个波长的折射率可以列出三个方程，从而可以求解出柯西色散公式中三个系数A，B，C的值，于是得到了冰层折射率随波长变化的关系，即冰层的色散特性。
根据冰层的色散特性，求解得到550nm下的冰层折射率。劳伦斯利弗莫尔实验室发现[Briggs,C.K.,et al."Estimated Refractive Index and Solid Density of DT,withApplication to Hollow-Miarospkere Laser Targets."UCRL-51921,LawrenceLivermore National Laboratory(1975)]，所有氢同位素、任何温度、任何物态，在550nm波长下，其折射率与密度的关系为：
n＝1+A′ρ, (7)
式中，对于不同的同位素、不同物态以及不同的气体密度，A′是不相同的，而是有一个范围变化：A′＝3.15±0.12。为了提高精度，需要首先了解燃料冰层的信息。若燃料冰层采用的是固态D2，A′是一个与分子量有关的函数，即：
A′＝[3.195-0.015(M-2)]×10-6m3/mol, (8)
其中，M是被测材料的分子量，如D2的分子量为4.028。因此，根据干涉检测波前系统获得冰层折射率后，即可获得冰层的密度信息。
步骤6：当式(5)所要求的靶丸外半径未知时，可以利用系统背光投影部分来求解。背光投影光路是一个成像光路，通过预先标定成像放大倍率，从而可以根据像面上靶丸外半径对应像素数，反推出靶丸外半径的大小。
当式(5)所要求的靶丸球壳折射率与厚度未知时，通过将式(5)中的n2与t2设为0，以n1与t1作为未知数求解，从而可在测量单层靶丸时同时测得单层靶丸的球壳折射率与厚度。因此，对于测量靶丸冰层但是又未知靶丸球壳参数的场合，可以在靶丸仍为球壳时，使用本系统检测出靶丸球壳的折射率与厚度；随后在靶丸原位充气结冰后，再继续测出靶丸冰层的折射率与厚度。
利用所提出的系统，对一实际的单层靶丸进行了实验测试，所得到的背光投影图，以及532nm、785nm、1064nm的干涉图分别如图5中(a)-(d)所示，所得出的靶丸球壳折射率与厚度结果如表2所示。
表2
根据表1可知，对于两个单层靶丸进行多次实验，所反演得到的球壳厚度与三个波长的折射率相对误差均小于2％；单个靶丸完成定位后，所有光源的采集和对图像处理并反演出最后结果的总时间不超过0.5分钟。
本发明实施例中，系统更为紧凑，所占空间为375×270×77mm，而旧系统的则为750×300×200mm。本发明的系统通过第一反射镜、第二反射镜的转折光路设置、对所用到的各光学镜片(除线偏振片和二向色镜外)均采用半英寸大小、以及干涉路三波长光源共路、干涉路与背光投影路的共路设计等，最大程度减小系统所占空间，使之可置入真空腔，实现实际工程中的在线检测。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括干涉检测光路和背光投影检测光路，其特征在于：
所述干涉检测光路的光源包括第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)；干涉检测光路中，第一激光器(1)发出的激光依次经过第一准直镜(4)、第四反射镜(11)、第一二向色镜(13)和第二二向色镜(14)，第二激光器(2)发出的激光依次经过第二准直镜(5)、第一二向色镜(13)和第二二向色镜(14)，第三激光器(3)发出的激光依次经过第三准直镜(6)和第二二向色镜(14)，三个激光器发出的激光在经过第二二向色镜(14)后实现共路；共路的光经过第一偏振分束镜(15)后分为两束，透射的一束经过非偏振分束镜(7)后反射，通过待测靶丸(12)，并射入第二偏振分束镜(16)；反射的一束经过第三反射镜(10)反射后，同样射入第二偏振分束镜(16)，两路光经过第二偏振分束镜(16)合束后，经过成像镜(19)被第二反射镜(9)反射并穿过线偏振片(20)后，成像到CCD图像传感器(21)上；
所述背光投影检测光路的光源为LED(18)，背光投影检测光路中，LED(18)发出的准直光束经过非偏振分束镜(7)后分为两束：一束出射到系统之外；一束穿过待测靶丸(12)后，再依次穿过第二偏振分束镜(16)和成像镜(19)，被第二反射镜(9)反射并穿过线偏振片(20)，在CCD图像传感器(21)上成像；
所述的CCD图像传感器(21)与电脑(22)连接，用于获取干涉检测光路产生的干涉图和背光投影检测光路产生的背光投影图。
2.根据权利要求1所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，其特征在于，还包括监控相机(17)，用于在将待测靶丸(12)插入系统时，对输送待测靶丸(12)的送靶装置进行观测。
3.根据权利要求1所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，其特征在于，第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)均为单模光纤激光器，波长分别为1064nm，785nm，532nm。
4.根据权利要求3所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，其特征在于，所述第一二向色镜(13)的透射带为932-1300nm，反射带为400-872nm，所述第二二向色镜(14)的透射带为400-633nm，反射带长为685-1600nm。
5.根据权利要求1所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，其特征在于，所述的线偏振片(20)根据不同透光率的靶丸进行旋转；所述的成像镜(19)采用10倍放大的超长波段消色差的显微物镜；所述的CCD图像传感器(21)采用18.128×13.596mm的大像面及5.5μm的像素尺寸。
6.根据权利要求1所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，其特征在于，第一激光器(1)、第二激光器(2)、第三激光器(3)和LED(18)这四个光源同时只能打开一个；
获取干涉图时，待测靶丸(12)的后表面、成像镜(19)、CCD图像传感器(21)三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸(12)的纵向截面、成像镜(19)、CCD图像传感器(21)三者的设置距离满足成像共轭关系。
7.一种ICF靶丸表征方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一所述的紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括以下步骤：
(1)搭建ICF靶丸表征系统；
(2)在开始干涉检测和背光投影测试之前，利用送靶装置将靶丸插入系统，并且准确地定位在物像共轭位置；
(3)当靶丸定位完成后，分别打开LED(18)、第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)，采集背光投影图和三个波长的干涉图；
(4)根据两个光路结构所采集到背光投影图和干涉图，通过以下求解以下公式，从而求得靶丸的折射率与厚度：
式中，前三式描述了通过靶丸的光的光程差信息，x1，x2分别为两条光线的入射高度，其所对应的出射光线高度分别为r1，r2，而Δx1，Δx2分别为光线经过靶丸偏折的高度；OPL表示对应光线经过靶丸的光程，OPD为两条光线的光程差；后三式描述了通过靶丸的光的光线偏折信息，X2为亮环高度，X为其对应的入射光线的高度，Y2为出射光线横向偏移距离，X1为出射光线高度，
为出射光线偏折角度；n2与t2为靶丸的冰层折射率与厚度；在该式中，未知数为x1，x2，X，n2与t2，其他参数可从背光投影图与干涉图测得，或可根据光线追迹推导表示；
(5)计算出三个波长对应的折射率后，代入柯西色散公式：
n＝A-B/λ2+C/λ4 (2)
式中，λ为波长，n为此波长对应折射率，A，B，C为常数系数；
根据三个波长的折射率列出三个方程，从而求解出柯西色散公式中三个系数A，B，C的值，于是得到了靶丸内冰层折射率随波长变化的关系，即冰层的色散特性；
(6)根据靶丸内冰层的色散特性，求解得到550nm下的冰层折射率；在550nm波长下，其折射率与密度的关系为：
n＝1+A′ρ (3)
式中，对于不同的同位素、不同物态以及不同的气体密度，A′是不相同的，而是有一个范围变化：A′＝3.15±0.12；对于固态的冰层，A′是一个与分子量有关的函数，即：
A′＝[3.195-0.015(M-2)]×10-6m3/mol (4)
其中，M是被测材料的分子量，计算获得靶丸内冰层的折射率后，进一步获得冰层的密度信息。
8.根据权利要求7所述的ICF靶丸表征方法，其特征在于，步骤(1)中，在搭建ICF靶丸表征系统时，需要对干涉检测光路的光源进行调整，具体过程如下：
(1-1)将系统中的CCD图像传感器(21)先用于辅助光源调节，非偏振分束镜(7)的透光方向后方安装导轨和CCD图像传感器，使CCD图像传感器可以在导轨上前后移动；将第一激光器(1)、第二激光器(2)、第三激光器(3)、第一准直镜(4)、第二准直镜(5)、第三准直镜(6)、第四反射镜(11)、第一二向色镜(13)、第二二向色镜(14)、第一偏振分束镜(15)、非偏振分束镜(7)安装完成后，开始进行三波长光源共路的微调；
(1-2)依次对三个光源进行调节，首先打开第三激光器(3)，调节CCD图像传感器的高度和横向位置，使得第三激光器(3)的激光光斑位于CCD图像传感器接收面中心；沿导轨前后移动该CCD图像传感器，若光斑从中心移到了其他位置，则调整第三准直镜(6)的角度；继续沿导轨前后移动CCD图像传感器，直到光斑在接收面上的位置稳定不变；
(1-3)打开第二激光器(2)，沿导轨前后移动CCD图像传感器，调节第二准直镜(5)的角度，以及第一二向色镜(13)、第二二向色镜(14)的角度，并且在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到第二激光器(2)的光斑与第三激光器(3)的光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移动，说明两路激光光束已经平行且重合；
(1-4)打开第一激光器(1)，调节第一准直器(4)以及第四反射镜(11)的角度，在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到此激光器光斑与另外两路光斑重合，且不随CCD的移动而移动，说明三路激光光束已经平行且重合，从而完成三路光源共路的初步调整；
(1-5)完成ICF靶丸表征系统所有部分的搭建后，开始三路光源共路的细调整；在靶丸插入前依次打开各激光光源，并且调节第三反射镜，使得CCD图像传感器所接收到的干涉条纹最为稀疏，尽量均匀一片；
若是三个光源所对应的干涉图并未同时均匀一片，或者三个干涉图中的干涉条纹方向不一致、疏密程度与波长不符，则说明三路光源依然没有完全共路；对前述初步调整过程中涉及到的器件继续进行小心的精细调整，直至达到三光源所对应干涉图同时均匀一片或干涉条纹一致且疏密满足波长关系，此时完成了三路光源共路的细调整。
9.根据权利要求7所述的ICF靶丸表征方法，其特征在于，当式(1)所要求的靶丸外半径未知时，利用系统中背光投影检测光路来求解；背光投影检测光路是一个成像光路，通过预先标定成像放大倍率，从而根据像面上靶丸外半径对应像素数，反推出靶丸外半径的大小；
当式(1)所要求的靶丸球壳折射率与厚度未知时，通过将式(1)中的n2与t2设为0，以n1与t1作为未知数求解，从而在测量单层靶丸的同时测得单层靶丸的球壳折射率与厚度。
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