CN114111565A - 多方位联合诊断速度干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多方位联合诊断速度干涉仪，包括激光器、靶成像导光模块、干涉模块和记录模块，靶成像导光模块包括第一分束镜、第一聚焦透镜和光纤传像束，光纤传像束插入靶室的一端与靶丸连接，且光纤传像束插入靶室的一端端面安装有微型透镜，第一聚焦透镜的焦点位于光纤传像束位于靶室外的一端端面。采用以上技术方案的，不仅微型透镜在靶丸内部的空间占用更小，而且使靶成像导光模块的结构更加紧凑，同时能够轻松地完成在线装调，大大降低了技术难度；并且能够实现覆盖靶丸赤道区、极区以及斜向45°区域在内的，最大120°区域的多方位冲击波传输历程的同时诊断，从而为内爆更高阶的不对称性诊断奠定基础。

Description

多方位联合诊断速度干涉仪

技术领域

本发明涉及激光惯性约束聚变技术领域，具体涉及一种多方位联合诊断速度干涉仪。

背景技术

在激光惯性约束聚变研究中，为了提高靶丸内部燃料的压缩比，需要各个角度方向形成对称的球形压缩。但受限于靶结构、驱动控制及材料内部微观特性的不均匀或不对称等影响，实际压缩过程会偏离理想球形，形成局部偏强情况，进而导致靶丸在压缩度不高时即发生破裂。为了获得更优的压缩对称性，需要在具体实验中诊断靶丸压缩的不对称性情况，通过更改靶、驱动器等多个预设参数，对比各种条件下的压缩对称性，完成对称性优化调控。

任意反射面速度干涉技术是惯性约束聚变以及高能量密度物理研究中非常重要的速度测量技术，能够对待测反射面(样品自由面或冲击波波阵面)的速度演化历程进行连续诊断。

通过在靶丸内部安装45°反射镜(双轴VISAR)，能够实现对靶丸内部赤道区和极区的冲击波速度历程进行同时诊断，进而用于表征靶丸压缩过程冲击波加载阶段的P2不对称性情况。

更进一步，同时在靶丸内部安装45°和22.5°反射镜(多轴VISAR)，能够同时对靶丸赤道区、极区和斜向45°区域的冲击波加载历程进行诊断，进而用于表征靶丸压缩过程冲击波加载阶段的P4不对称性情况。

但对于上述两种路线的不对称性表征技术，无论是对靶丸制备还是诊断瞄准都提出了非常高的要求。激光惯性约束聚变研究中，通常采用的内爆靶丸内径小于2mm，其内部安装的微型反射镜尺寸要小到200微米左右，并且具有较高的反射率，加工难度非常大。并且，为了获得各个区域的反射信号，要求探针光经由微型反射镜反射至球形冲击波之后能够原路返回，因此，对微型反射镜的装配精度也提出了非常高的要求。故受限于微型反射镜的加工和装配难度，目前国内外最多仅能同时实现三个方向的冲击波加载历程诊断。

解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种多方位联合诊断速度干涉仪。

其技术方案如下：

一种多方位联合诊断速度干涉仪，包括激光器、靶成像导光模块、干涉模块和记录模块，其要点在于：所述靶成像导光模块包括第一分束镜、第一聚焦透镜和光纤传像束，所述光纤传像束插入靶室的一端与靶丸连接，且该光纤传像束插入靶室的一端端面安装有微型透镜，所述第一聚焦透镜的焦点位于光纤传像束位于靶室外的一端端面；

所述激光器激发的脉冲探针光依次经第一分束镜、第一聚焦透镜、光纤传像束和微型透镜聚焦在靶丸上，并反射回携带有靶丸反射面速度变化信息的多普勒信号光，该多普勒信号光依次经微型透镜、光纤传像束、第一聚焦透镜和第一分束镜引入干涉模块，以将多普勒信号光携带的靶丸反射面速度变化信息转化为干涉条纹的移动，并最终由记录模块进行记录。

作为优选：所述光纤传像束通过真空法兰安装在靶室上。

采用以上结构，既能够可靠地安装光纤传像束，由能够保证靶室的真空环境。

作为优选：所述靶丸上开设有与光纤传像束相适应的安装孔，所述光纤传像束安装有微型透镜的一端嵌入安装孔中。

采用以上结构，不仅简单可靠，易于装配，而且能够进一步扩大诊断的覆盖区域。

作为优选：所述干涉模块包括第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜和第三分束镜，所述第二反射镜上设置有标准具，从第一分束镜引入的多普勒信号光先由第二分束镜一分为二，一路多普勒信号光经第一反射镜射向第三分束镜，另一路多普勒信号光经第二反射镜上的标准具延时后射向第三分束镜，第三分束镜分别对两路入射的多普勒信号光汇聚形成的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光，并向记录模块出射。

采用以上结构，能够稳定可控地将靶丸待测反射面的速度变化信息转化为干涉条纹的移动，形成明暗变化，并最终易于被记录。

作为优选：所述第一分束镜和第二分束镜之间设置有第三反射镜。

采用以上结构，能够简单可靠地改变光的传播路径，以更好地利用场地。

作为优选：所述记录模块包括第四分束镜、第二聚焦透镜、第一光学条纹相机、第四反射镜、第三聚焦透镜、倒位棱镜和第二光学条纹相机；

所述干涉模块出射的带有干涉条纹移动的多普勒信号光由第四分束镜一分为二，一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光经第二聚焦透镜成像在第一光学条纹相机上，另一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光依次经第四反射镜和第三聚焦透镜后，再由倒位棱镜旋转多普勒信号光，最终由第一光学条纹相机记录。

采用以上结构，由第一光学条纹相机记录的一路直接对待测靶丸成像，第一光学条纹相机的狭缝截取赤道区一定角度范围内的信息，实现该区域冲击波速度历程的诊断；由第二光学条纹相机记录的一路通过在光路中设置倒位棱镜，实现靶丸像在条纹相机狭缝处的旋转，进而实现待测靶丸径度方向上一定角度范围内的冲击波速度历程诊断，同时能够根据具体的物理需求，通过改变倒位棱镜的角度，实现与赤道方向不同夹角截面上的成像诊断，从而能够在单发次实验中实现球形空间多个方位冲击波速度历程的同时诊断。

作为优选：所述激光器激发的脉冲探针光的波长在可见光波段，脉宽约为20ns。

采用以上设计，脉冲探针光的波长在可见光波段，用于为干涉条纹提供载波激光，同时为了避免打靶激光的干扰，需要避开1053nm/527nm/351nm波段，同时20ns脉宽为物理信号的诊断提供20ns的时间窗口。

作为优选：所述光纤传像束的外径小于1mm，其空间分辨为15μm。

采用以上设计，光纤传像束的外径小于1mm，从而能够方便方便地将其放入直径2mm的靶丸内部，并且有足够的调节余量，同时空间分辨为15um，从而能够获得靶丸内部高空间分辨的成像结果。

作为优选：所述微型透镜的工作距离为1mm。

采用以上设计，光纤传像束放入靶丸内部之后，其前端距靶丸内壳层的距离约为1mm，因此微型透镜的工作距离需设置在1mm左右，从而便于对靶丸内壳层进行成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过在光纤传像束插入靶丸的一端安装微型透镜，替代传统在靶丸内部安装一到两块反射镜的方式，不仅微型透镜在靶丸内部的空间占用更小，而且光纤传像束作为主要成像传输元件，使靶成像导光模块的结构更加紧凑，同时由于光纤传像束位于靶室的一端和微型透镜均安装在靶丸上即可，因而结合光纤传像束位于靶室外一端的成像就能够轻松地完成在线装调，大大降低了技术难度；

2、相对于现有最多实现靶丸赤道区、极区以及斜向45°区域三个方向的冲击波加载历程诊断，本多方位联合诊断速度干涉仪能够实现覆盖靶丸赤道区、极区以及斜向45°区域在内的，最大120°区域的大角度多方位冲击波传输历程的同时诊断；

3、配合成像模块的设计，甚至能够实现球形靶丸多个截面角度上的多方位冲击波速度历程诊断，从而能够为内爆P2、P4乃至更高阶不对称性的表征提供条件。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种多方位联合诊断速度干涉仪，其主要包括激光器1、靶成像导光模块、干涉模块和记录模块。

激光器1用于发射脉冲探针光，激光器1激发的脉冲探针光的波长在可见光波段，用于为干涉条纹提供载波激光，同时为了避免打靶激光的干扰，需要避开1053nm/527nm/351nm波段。脉冲探针光的脉宽约为20ns，用于为物理信号的诊断提供20ns的时间窗口。

靶成像导光模块包括第一分束镜BS1、第一聚焦透镜L1和光纤传像束2。其中，靶室3为真空环境。光纤传像束2的外径小于1mm，从而能够方便方便地将其放入直径2mm的靶丸内部，并且有足够的调节余量。同时，光纤传像束2的空间分辨为15μm，从而能够获得靶丸4内部高空间分辨的成像结果。第一聚焦透镜L1的焦点位于光纤传像束2位于靶室3外的一端端面，同时，光纤传像束2插入靶室3的一端与靶丸4连接，并且，光纤传像束2插入靶室3的一端端面安装有微型透镜5，微型透镜5的工作距离约为1mm左右，即微型透镜5与靶丸4之间的间距约为1mm左右，使光纤传像束2放入靶丸4内部之后，光纤传像束2的前端距靶丸4内壳层的距离约为1mm，因此微型透镜的工作距离需设置在1mm左右，从而便于对靶丸4内壳层进行成像。本实施例中，微型透镜5的工作距离优选为1mm。

因此，激光器1激发的脉冲探针光先经第一分束镜BS1反射射向第一聚焦透镜L1，再经第一聚焦透镜L1聚焦在光纤传像束2位于靶室3外的一端端面，然后脉冲探针光由光纤传像束2传输至靶室3内部，最后通过微型透镜5聚焦在靶丸4上。

从靶丸4反射回的携带有靶丸4反射面速度变化信息的多普勒信号光，先经微型透镜5引入光纤传像束2，再由光纤传像束2传输至靶室3以外，然后多普勒信号光经第一聚焦透镜L1射向第一分束镜BS1，最后多普勒信号光透射过第一分束镜BS1引入干涉模块。

上述过程能够实现覆盖靶丸4的赤道区、极区以及斜向45°区域在内的，最大120°区域进行成像。

其中需要指出的是，靶丸4上开设有与光纤传像束2相适应的安装孔，光纤传像束2安装有微型透镜5的一端嵌入安装孔中。微型透镜5靠近光纤传像束2的一侧表面可以内凹于靶丸4的外表面，可以与靶丸4的外表面齐平，也可以凸出于靶丸4的外表面。

进一步地，光纤传像束2通过真空法兰6安装在靶室3上，既能够可靠地安装光纤传像束2，由能够保证靶室3的真空环境。

干涉模块包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第二分束镜BS2和第三分束镜BS3，第二反射镜M2上设置有标准具7，用于起到延时的作用，以改变两路光出行时差，能够基于多普勒效应将靶丸4待测反射面的速度变化信息转化为干涉条纹的移动。

进一步地，第一分束镜BS1、第二分束镜BS2和第三分束镜BS3均为半透半反镜，简单可靠，光路可控。

具体地说，从第一分束镜BS1引入的多普勒信号光先由第二分束镜BS2一分为二，从第一分束镜BS1反射的一路多普勒信号光经第一反射镜M1反射后射向第三分束镜BS3，从第一分束镜BS1透射的一路多普勒信号光经第二反射镜M2上的标准具7延时后由第二反射镜M2反射射向第三分束镜BS3，最后，第三分束镜BS3分别对两路入射的多普勒信号光汇聚形成的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光，从而将多普勒信号光携带的靶丸4反射面速度变化信息转化为干涉条纹的移动，并最终由记录模块进行记录。

进一步地，第一分束镜BS1和第二分束镜BS2之间设置有第三反射镜M1，能够简单可靠地改变光的传播路径，以更好地利用场地。

记录模块包括第四分束镜BS4、第二聚焦透镜L2、第一光学条纹相机8、第四反射镜M4、第三聚焦透镜L3、倒位棱镜10和第二光学条纹相机9。具体地说，干涉模块出射的带有干涉条纹移动的多普勒信号光由第四分束镜BS4一分为二，一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光经第二聚焦透镜L2成像在第一光学条纹相机8上，从而通过成像透镜将靶丸直接成像至第一光学条纹相机8的狭缝，狭缝截取赤道区干涉图样，完成赤道区一定角度区域(请参见图1中A弧形虚线所示区域)的速度历程诊断。另一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光依次经第四反射镜M4和第三聚焦透镜L3后，再由倒位棱镜10旋转多普勒信号光，最终由第一光学条纹相机8记录，通过在光路中设置倒位棱镜10，实现靶丸像在第二光学条纹相机9的狭缝处的旋转，进而实现待测靶丸径度方向上一定角度范围内(请参见图1中A’弧形虚线所示区域)的冲击波速度历程诊断，同时能够根据具体的物理需求，通过改变倒位棱镜10的角度，实现与赤道方向不同夹角截面上的成像诊断。

利用上述记录模块，设置有双通道耦合成像光路，能够完成内爆靶丸内部多个截面上120°角度方位的冲击波速度历程诊断，进而获得两个方向上，分别涵盖靶丸赤道区、极区在内的多个方位冲击波加载情况，从而为内爆P2、P4乃至更高阶不对称性的表征提供技术条件。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多方位联合诊断速度干涉仪，包括激光器(1)、靶成像导光模块、干涉模块和记录模块，其特征在于：所述靶成像导光模块包括第一分束镜(BS1)、第一聚焦透镜(L1)和光纤传像束(2)，所述光纤传像束(2)插入靶室(3)的一端与靶丸(4)连接，且该光纤传像束(2)插入靶室(3)的一端端面安装有微型透镜(5)，所述第一聚焦透镜(L1)的焦点位于光纤传像束(2)位于靶室(3)外的一端端面；

所述激光器(1)激发的脉冲探针光依次经第一分束镜(BS1)、第一聚焦透镜(L1)、光纤传像束(2)和微型透镜(5)聚焦在靶丸(4)上，并反射回携带有靶丸(4)反射面速度变化信息的多普勒信号光，该多普勒信号光依次经微型透镜(5)、光纤传像束(2)、第一聚焦透镜(L1)和第一分束镜(BS1)引入干涉模块，以将多普勒信号光携带的靶丸(4)反射面速度变化信息转化为干涉条纹的移动，并最终由记录模块进行记录。

2.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述光纤传像束(2)通过真空法兰(6)安装在靶室(3)上。

3.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述靶丸(4)上开设有与光纤传像束(2)相适应的安装孔，所述光纤传像束(2)安装有微型透镜(5)的一端嵌入安装孔中。

4.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述干涉模块包括第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)、第二分束镜(BS2)和第三分束镜(BS3)，所述第二反射镜(M2)上设置有标准具(7)，从第一分束镜(BS1)引入的多普勒信号光先由第二分束镜(BS2)一分为二，一路多普勒信号光经第一反射镜(M1)射向第三分束镜(BS3)，另一路多普勒信号光经第二反射镜(M2)上的标准具(7)延时后射向第三分束镜(BS3)，第三分束镜(BS3)分别对两路入射的多普勒信号光汇聚形成的一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光，并向记录模块出射。

5.根据权利要求4所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述第一分束镜(BS1)和第二分束镜(BS2)之间设置有第三反射镜(M1)。

6.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述记录模块包括第四分束镜(BS4)、第二聚焦透镜(L2)、第一光学条纹相机(8)、第四反射镜(M4)、第三聚焦透镜(L3)、倒位棱镜(10)和第二光学条纹相机(9)；

所述干涉模块出射的带有干涉条纹移动的多普勒信号光由第四分束镜(BS4)一分为二，一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光经第二聚焦透镜(L2)成像在第一光学条纹相机(8)上，另一路带有干涉条纹移动的多普勒信号光依次经第四反射镜(M4)和第三聚焦透镜(L3)后，再由倒位棱镜(10)旋转多普勒信号光，最终由第一光学条纹相机(8)记录。

7.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述激光器(1)激发的脉冲探针光的波长在可见光波段，脉宽约为20ns。

8.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述光纤传像束(2)的外径小于1mm，其空间分辨为15μm。

9.根据权利要求1所述的多方位联合诊断速度干涉仪，其特征在于：所述微型透镜(5)的工作距离为1mm。

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