CN112649834A - 用于icf芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统及方法，解决现有ICF内爆成像方式，存在空分辨率不足、易受核电磁脉冲干扰的问题。该系统包括脉冲光纤激光器、啁啾调节模块、皮秒级同步模块、光纤延迟模块、KB显微模块、DIM及设在DIM腔室内的光纤准直模块、偏振延时模块、皮秒级全光固体超快探测芯片、多分幅成像模块和探测模块；啁啾调节模块对脉冲光纤激光器出射的探针光进行调制；皮秒级同步模块控制光纤延迟模块对调制后的探针光进行延迟；皮秒级全光固体超快探测芯片对KB显微模块形成内爆关键过程的X射线图像进行光‑光转换，加载到偏振延时后的探针光；多分幅成像模块对携带信号光信息探针光进行分幅成像并被探测模块采集。
Description
技术领域
本发明属于X射线超快成像领域，涉及一种ICF芯部自发光关键过程的成 像系统，具体涉及一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系 统及方法。
背景技术
在激光间接驱动惯性约束聚变实验中，激光是从黑腔两端的注入孔进入 黑腔，经过高Z腔壁材料的吸收和X光转换等过程转变成能谱接近普朗克分 布的软X光，最终辐射烧蚀驱动位于黑腔中心的含氘氚燃料靶丸使其内爆压 缩并发生热核聚变。黑腔辐射的目的是烧蚀氘氚燃料靶丸使其内爆压缩并发 生热核聚变，内爆压缩达到最大时刻对应的高温高密度物质通常称为芯部， 并形成点火热斑，其过程中热斑对称性将直接影响聚变效率。由于靶丸制作 的非理想性，靶丸表面会存在细微的形貌扰动，壳层内部也会存在缺陷以及分布不均匀等现象。然而，这些微弱的扰动会随着各种流体力学不稳定性过 程被逐步放大，进而造成靶丸的不对称压缩、壳层变形甚至球壳破裂，烧蚀 层物质混入热斑，也就是混合效应的发生，导致热斑温度与体积降低，最终 致使内爆效率大大下降，甚至完全失败。
惯性约束聚变(ICF)的芯部自发光过程属于瞬态过程，其持续时间仅 为数百个皮秒，内爆热斑的演化尺寸在百微米量级，产生X射线谱段可到硬X 射线范畴，且伴随强烈的复杂核电磁脉冲干扰。传统ICF内爆成像采用KB显 微镜+行波选通型分幅相机的成像方式，但其时间分辨率仅60ps，难以捕获 ICF芯部自发光过程。因此，亟需发展一种具备时间分辨皮秒量级，空间分 辨能力在微米量级，可测谱段覆盖硬X射线，且抗强核电磁干扰能力的的超 快成像手段。
发明内容
为了解决现有ICF内爆成像所采用的成像方式，存在空分辨率不足、易 受核电磁脉冲干扰的技术问题，本发明提供了一种用于ICF芯部自发光关键 过程的全光固体超快成像系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特殊之处 在于：包括脉冲光纤激光器、啁啾调节模块、皮秒级同步模块、光纤延迟模块、 KB显微模块和成像单元；成像单元包括DIM以及设置在DIM腔室内的光纤准 直模块、偏振延时模块、皮秒级全光固体超快探测芯片、多分幅成像模块和探 测模块；
所述啁啾调节模块用于对脉冲光纤激光器出射的探针光进行调制，实现探 针光脉冲时间间隔连续可调；
所述皮秒级同步模块用于控制探针光与主机振荡器锁频，并结合光纤延迟 模块对经啁啾后的探针光进行延迟，实现探针光与信号光的皮秒级同步；所述 信号光为内爆关键过程的X射线图像；
所述光纤准直模块用于对延迟后的探针光进行准直，形成空间准直光；
所述偏振延时模块用于对空间准直光进行偏振延时，并入射至皮秒级全光 固体超快探测芯片；
所述皮秒级全光固体超快探测芯片对KB显微模块形成内爆关键过程的X 射线图像进行光-光转换，加载到偏振延时后的探针光，携带信号光信息的探 针光入射到多分幅成像模块；
所述多分幅成像模块对携带信号光信息的探针光进行分幅成像，获得多幅 图像；
所述探测模块用于采集多幅图像。
进一步地，所述探测模块为ICCD相机；
所述多幅图像与ICCD相机的门控时间同步，用于多幅图像分别成像于 ICCD相机像面不同位置。
进一步地，所述皮秒级全光固体超快探测芯片为厚度10μm的AlGaAs快 响应芯片。
进一步地，所述脉冲光纤激光器为线性啁啾激光器
进一步地，所述KB显微模块为微米级KB高空间分辨显微镜。
进一步地，还包括设置在DIM外且用于光纤延迟模块和光纤准直模块耦 合的真空光纤转接头。
同时，本发明提供了一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成 像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)脉冲光纤激光器出射探针光经啁啾调节模块调节为脉冲时间间隔连续 可调的探针光，再经光纤延迟模块耦合进入DIM腔室内；
同时，皮秒级同步模块控制探针光与主机振荡器锁频，结合光纤延迟模块 对啁啾后的探针光进行延迟，实现探针光与信号光之间的皮秒级同步；
2)进入DIM腔室内的探针光经准直和偏振延迟后形成与信号光同步的空 间准直光，再入射到带有周期性光栅的皮秒级全光固体超快探测芯片，被经信 号光作用后的芯片进行调制后，产生携带信号光信息的探针光；
其中，所述信号光是内爆关键过程的X射线图像；
3)携带信号光信息的探针光经多分幅成像模块后形成多幅图像，
4)探测模块采集多幅图像，完成ICF芯部自发光关键过程的多分幅超快 成像。
进一步地，步骤4)中，所述探测模块为ICCD相机，多幅图像与ICCD 相机的门控时间同步，使多幅图像分别成像于ICCD相机像面不同位置。
进一步地，步骤1)中，所述连续可调的探针光间隔为10ps～50ps连续可 调的探针光。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明成像系统中KB显微模块形成关键过程的X射线图像，经皮秒 级全光固体超快探测芯片进行光-光转换，芯片折射率变化携带信号光信息， 携带信号光信息的探针光经啁啾分幅成像后形成多幅图像；本发明将高空间分 辨KB显微模块与全光固体超快探测芯片相结合，针对ICF靶丸内爆过程X射 线谱段，同时具备皮秒级高时间分辨及微米级高空间分辨能力，可得到靶丸芯 部自发光关键过程的超快成像。
2、本发明成像系统采用脉宽可调谐光纤激光脉冲作为探针光，可实现ICF 高效便携耦合，提高整机系统的稳定性、抗干扰性、环境适用性，推动了全光 固体探测技术在ICF诊断中的应用。
3、本发明成像系统可实现较弱探针光强下，ICF芯部自发光关键过程的 超快捕获，突破传统全光固体超快成像系统对探针光强的依赖难题，在ICF关 键过程诊断中具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统原 理示意图；
图2是本发明多分幅成像模块的结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-脉冲光纤激光器，2-啁啾调节模块，3-光纤延迟模块，4-真空光纤转接 头，5-KB显微模块，6-DIM，7-光纤准直模块，8-偏振延时模块，9-皮秒级全 光固体超快探测芯片，10-多分幅成像模块，11-探测模块，12-皮秒级同步模块， 13-偏振分光镜，14-分光镜，15-反射镜，16-滤光片，17-分光通道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统， 基于半导体光折变效应的光纤型X射线高时空分辨的多分幅成像技术，本发明 成像系统包括脉冲光纤激光器1、啁啾调节模块2、光纤延迟模块3、皮秒级同 步模块12、KB显微模块5、DIM6(诊断搭载平台)以及设置在DIM6腔室内 的光纤准直模块7、偏振延时模块8、皮秒级全光固体超快探测芯片9、多分幅 成像模块10和探测模块11。
脉冲光纤激光器1为脉冲可调谐光纤激光器，本实施例采用中心波长为 780nm、谱宽为10nm的线性啁啾激光器，该激光器结合啁啾调节模块2可实 现10ps到50ps的连续可调，用于多分幅图像的时间分辨精确调节，同时采用 脉冲光纤激光器1作为探针光，可有效提高系统的抗干扰性及与主机诊断搭载 平台DIM6连接的稳定性。
啁啾调节模块2对脉冲光纤激光器1出射的探针光进行调制，实现探针光 脉冲时间间隔的连续可调。
皮秒级同步模块12为外置电路系统，采用探针光与主机振荡器精密锁频， 与触发后光纤延迟精密调节的方式，实现与激光聚变装置主机信号光之间的皮 秒级高精度同步。
其中，主机振荡器是激光聚变装置主机的固有模块，本系统成像关键点之 一是要保证探针光与信号光的高精度同步，采用皮秒级同步模块12实现。
偏振延时模块8用于对空间准直光进行偏振延时，并入射至皮秒级全光固 体超快探测芯片9。
KB显微模块5为微米级高分辨KB(Kirkpatrick-Baze)显微镜，采用掠入 射离轴反射原理，形成关键过程的X射线图像，空间分辨率优于5μm。
皮秒级全光固体超快探测芯片9为厚度10μm的AlGaAs快响应芯片，时 间响应可优于3ps，芯片上刻有周期性光栅，经信号光作用后形成与周期性光 栅相对应的周期性折射率变化，此时全光固体超快探测芯片携带有信号光信息， 具有周期性相位调制作用。皮秒级全光固体超快探测芯片9对KB显微模块5 形成内爆关键过程的X射线图像进行光-光转换，加载到偏振延时后的探针光， 产生携带信号光信息的探针光并入射至多分幅成像模块10。
多分幅成像模块10为偏振啁啾多分幅模块，采用啁啾与偏振相结合的方 式，对携带信号光信息的探针光进行成像，形成多幅图像，可实现大于4幅的 高空间分辨多分幅成像。
脉冲光纤激光器1出射脉冲探针光经啁啾调节模块2，再经光纤延迟模块 3、真空光纤转接头4耦合进入DIM6腔室内的光纤准直模块7；此时DIM6 腔室内的探针光依然为光纤光输出，光纤激光经腔室内光纤准直器后，形成空 间准直光。其中真空光纤转接头4是为了保证整个DIM6腔室的测试环境及激 光传播的稳定性。
基于上述光纤型全光固体超快成像系统，本实施例提供了用于ICF芯部自 发光关键过程的全光固体超快成像方法，包括以下步骤：
1)脉冲光纤激光器1出射探针光，经啁啾调节模块2、光纤延迟模块3、 真空光纤转接头4耦合进入DIM6腔室；
同时，皮秒级高精度同步模块采用探针光与主机振荡器精密锁频，与光纤 延迟模块3精密调节相配合，实现探针光与信号光的高精度同步；
2)进入DIM6腔室的探针光经光纤准直模块7准直后形成空间准直光；
3)空间准直光经偏振延时模块8偏振延时后入射至皮秒级全光固体超快 探测芯片9，被经信号光作用后的芯片进行调制后携带信号光信息，产生携带 信号光信息的探针光；
其中，信号光是内爆关键过程的X射线图像；
4)携带信号光信息的探针光经多分幅成像模块10后形成多幅图像，完成 ICF芯部自发光高时空分辨的多分幅成像；
其中，如图2所示，多分幅的实现如下：经调制后携带信号光信息的准直 探针光经偏振分光镜13后从偏振态上分为两束光，每束光再经分光镜14、反 射镜15和窄带滤光片16后进入分光通道17，将多幅图像成像于空间不同位置， 然后进入相机的感光面，最终形成多分幅成像。其中分光镜的分光比例按照所 需成像幅数确定分光比例。本实施例采用的是四分幅，采用偏振分光镜后，每 束光分别进入1：1的分光镜，再分别经窄带滤光片后进入相机感光面，最终 形成四分幅成像。本实施例采用的多分幅成像模块10为紧凑型设计，体积小， 结构简单；
5)多幅图像与ICCD相机门控时间同步，成像于ICCD像面不同位置， 完成ICF芯部自发光关键过程的多分幅超快成像。
本实施例成像系统的时间分辨约3ps、空间分辨可优于5μm、分幅数目可 大于4分幅，用于ICF关键过程的高时空分辨成像，实现时间分辨皮秒量级、 空间分辨微米量级、X射线谱段的多分幅超快成像，解决ICF靶丸内爆关键过 程高时空分辨诊断难题，为聚变靶丸演化非对称性的超快成像提供一种新的手 段，具有重要的应用前景。
本实施例成像系统将高空间分辨KB显微模块5与全光固体超快成像系统 相结合，KB显微模块5采用掠入射离轴反射原理，形成关键过程的X射线图 像，经皮秒级全光固体超快探测芯片9进行光-光转换，其中芯片折射率变化 携带信号光信息，通过多分幅成像，可实现探测针对ICF靶丸内爆过程X射 线谱段，同时具备皮秒级高时间分辨及微米级高空间分辨能力，可得到靶丸芯 部自发光关键过程的超快成像。
本实施例成像系统采用脉宽可调谐光纤激光脉冲作为探针光，构建了一种 新型的全光固体超快成像系统，可实现ICF中DIM6装置的高效便携耦合，提 高整机系统的稳定性、抗干扰性、环境适用性，推动了全光固体相机在ICF诊 断中的应用。
本实施例全光固体超快成像系统，可实现较弱探针光强下，ICF芯部自发 光关键过程的超快捕获，突破传统全光固体超快成像系统对探针光强的依赖难 题，在ICF关键过程诊断中具有重要的应用前景以及可测谱段覆盖硬X射线， 且抗强核电磁干扰能力。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案 限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变 形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (9)
1.一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：包括脉冲光纤激光器(1)、啁啾调节模块(2)、皮秒级同步模块(12)、光纤延迟模块(3)、KB显微模块(5)和成像单元；成像单元包括DIM(6)以及设置在DIM(6)腔室内的光纤准直模块(7)、偏振延时模块(8)、皮秒级全光固体超快探测芯片(9)、多分幅成像模块(10)和探测模块(11)；
所述啁啾调节模块(2)用于对脉冲光纤激光器(1)出射的探针光进行调制，实现探针光脉冲时间间隔连续可调；
所述皮秒级同步模块(12)用于将经啁啾后的探针光与主机振荡器锁频，并结合光纤延迟模块(3)对经啁啾的探针光进行延迟，实现探针光与信号光的皮秒级同步；所述信号光为内爆关键过程的X射线图像；
所述光纤准直模块(7)用于对延迟后的探针光进行准直，形成空间准直光；
所述偏振延时模块(8)用于对空间准直光进行偏振延时，并入射至皮秒级全光固体超快探测芯片(9)；
所述皮秒级全光固体超快探测芯片(9)对KB显微模块(5)形成内爆关键过程的X射线图像进行光-光转换，加载到偏振延时后的探针光，携带信号光信息的探针光入射到多分幅成像模块(10)；
所述多分幅成像模块(10)对携带信号光信息的探针光进行分幅成像，获得多幅图像；
所述探测模块(11)用于采集多幅图像。
2.根据权利要求1所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：所述探测模块(11)为ICCD相机；
所述多幅图像与ICCD相机的门控时间同步，用于多幅图像分别成像于ICCD相机像面不同位置。
3.根据权利要求2所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：所述皮秒级全光固体超快探测芯片(9)为厚度10μm的AlGaAs快响应芯片。
4.根据权利要求3所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：所述脉冲光纤激光器(1)为线性啁啾激光器。
5.根据权利要求4所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：所述KB显微模块(5)为微米级KB高空间分辨显微镜。
6.根据权利要求5所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像系统，其特征在于：还包括设置在DIM(6)外且用于光纤延迟模块(3)和光纤准直模块(7)耦合的真空光纤转接头(4)。
7.一种用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)脉冲光纤激光器(1)出射探针光经啁啾调节模块(2)调节为脉冲时间间隔连续可调的探针光，再经光纤延迟模块(3)耦合进入DIM(6)腔室内；
同时，皮秒级同步模块(12)控制探针光与主机振荡器锁频，结合光纤延迟模块(3)对啁啾后的探针光进行延迟，实现探针光与信号光之间的皮秒级同步；
2)进入DIM(6)腔室内的探针光经准直和偏振延迟后形成与信号光同步的空间准直光，再入射到带有周期性光栅的皮秒级全光固体超快探测芯片(9)，被经信号光作用后的芯片进行调制后，产生携带信号光信息的探针光；
其中，所述信号光是内爆关键过程的X射线图像；
3)携带信号光信息的探针光经多分幅成像模块(10)后形成多幅图像，
4)探测模块采集多幅图像，完成ICF芯部自发光关键过程的多分幅超快成像。
8.根据权利要求7所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像方法，其特征在于：步骤4)中，所述探测模块为ICCD相机，多幅图像与ICCD相机的门控时间同步，使多幅图像分别成像于ICCD相机像面不同位置。
9.根据权利要求8所述用于ICF芯部自发光关键过程的全光固体超快成像方法，其特征在于：步骤1)中，所述连续可调的探针光间距为10ps～50ps连续可调的探针光。
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