CN114993949B - 一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪 - Google Patents

一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，包括：脉冲光源及目标靶系统、像传递系统、多分幅模块系统和成像记录系统。本发明具有光路搭建简易且紧凑，多分幅实现简单的优点。能利用简单的几片分束镜完成以往复杂光路才能实现的多分幅，在调节分幅数目与分幅间隔的可操作性上有巨大优势。

Description

一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪
技术领域
本发明涉及一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，属于激光等离子体的阴影和纹影成像诊断领域。
背景技术
在惯性约束聚变的研究过程中，对于冕区等离子体的诊断主要有成像型与非成像型诊断，对于成像型诊断而言，冕区等离子体的阴影、纹影成像诊断是目前主要采用的诊断方式之一。等离子体的阴影图像敏感于等离子体密度梯度的二阶导，而纹影图像敏感于等离子体密度梯度的一阶导。在对等离子体的诊断中，两者通常一起使用，对不同密度区间的等离子体形貌进行诊断。
常用的阴影、纹影成像诊断一般只能获取某一个时刻的等离子体阴影/纹影图像，如果要对同一物理过程获取不同时刻的等离子体阴影、纹影图像，一般采用的方式是在不同发次中，调节诊断光延时，获取不同时刻的等离子体阴影、纹影图像。然而对于惯性约束聚变而言，发次十分珍贵，发次之间的一次性很难保证，因此如果能够在同一发次中对等离子体的状态进行多个时刻的阴影、纹影诊断，将大大提高诊断效率，同时也能够避免发次之间不一致性所带来的问题。
目前已有几种多分幅技术，可以实现在单发次中实现多个时刻的等离子体阴影、纹影图像记录。然而它们的实现方式主要是通过光学方法生成诊断脉冲串，脉冲串之间具有时间间隔，在后端通过空间(Rev.Sci.Instrum.83,043501(2012))、时间(Rev.Sci.Instrum.91,033711(2020))或频谱(Opt.Lett.31,1636-1638(2006))上的分离进行分离记录，多分幅实现方式在光路排布上不简单、不紧凑，同时在光路搭建完成后，分幅数目与分幅间隔基本已经固定，分幅数目与分幅时间间隔切换困难。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对现有多分幅技术光路搭建困难，光路排布不紧凑，分幅数目与分幅时间间隔切换困难的缺点，提供一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，具有光路搭建简易且紧凑，多分幅实现简单的优点。能利用简单的几片分束镜完成以往复杂光路才能实现的多分幅，在调节分幅数目与分幅间隔的可操作性上有巨大优势。
本发明技术解决方案：一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，包括：脉冲光源及目标靶系统100、像传递系统200、多分幅模块系统300、成像记录系统400；
脉冲光源及目标靶系统100，由纳秒长脉冲激光器1产生的一束脉冲光经过由目标靶2产生的等离子体后，成为携带等离子体信息的信号光，经过第一透镜3后入射到像传递系统200；
像传递系统200，用于接收信号光，并对等离子体的像进行像传递，导入到多分幅模块系统300中；
多分幅模块系统300，用于接收信号光并在此处完成对信号光的延时；信号光在多分幅模块系统300里不断地进行透射与反射，形成多束具有不同延时的信号光，入射到成像记录系统400里。
成像记录系统400用于接收经过多分幅模块系统300后的多束具有不同延时的信号光，同时将不同延时的信号光成像到门控相机10的记录面上，在门控相机10的记录面上会出现多个具有不同延时的等离子体的像，门控相机10对不同延时的等离子体的像进行门控记录，实现多分幅成像记录；
所述脉冲光源及目标靶系统100由纳秒长脉冲激光器1与目标靶2组成，在具体实验时，另有一束脉冲激光聚焦到目标靶上，用于产生等离子体；纳秒长脉冲激光器1与目标靶2光路连接；由长脉冲激光器产生的一束脉冲光经过由目标靶2产生的等离子体后，成为携带等离子体信息的信号光，经过第一透镜3后入射到像传递系统200中；
所述像传递系统200由第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7组成；第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7依次光路连接；信号光依次经过第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7后，经过第一分束片11入射到多分幅模块系统300里。第一透镜3与第二透镜4用于将等离子体的像成像到二维狭缝5处；二维狭缝5用于限制诊断视场，防止在门控相机10的记录面上，不同延时的等离子体像之间产生串扰；纹影挡片7用于在傅里叶面上进行遮挡，形成纹影图像，在阴影诊断时，则不需要纹影挡片7；
所述多分幅模块系统300由第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14组成，其中第一分束片11与第二分束片12组成第一组多分幅模块，第三分束片13与第四分束片14组成第二组多分幅模块；第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14依次光路连接；信号光依次经过第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14；信号光在第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14中不断地进行透射与反射，形成多束具有不同延时的信号光，一起经过第四透镜8入射到成像记录系统400中；
所述成像记录系统400由第四透镜8，衰减片9与门控相机10组成。第四透镜8与衰减片9、门控相机10依次光路连接；由多分幅模块系统300产生的多束具有不同延时的信号光，依次经过第四透镜8，衰减片9后入射到门控相机10的记录面上。第四透镜8用于将不同延时的信号光成像到门控相机10的记录面上，在门控相机10的记录面上会出现多个具有不同延时的等离子体的像。由于门控相机10不能承受很大的光强，衰减片9用于对光强进行衰减，门控相机10对不同延时的等离子体的像进行门控记录，实现多分幅成像记录；
所述脉冲光源及目标靶系统100的目标靶2与像传递系统200的第一透镜3光路连接；
所述像传递系统200的纹影挡片7与多分幅模块系统300的第一分束片11光路连接；
所述多分幅模块系统300的第四分束片14与成像记录系统400的第四透镜8光路连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的创新点主要在多分幅模块系统300与成像记录系统400中。现有的多分幅技术，通过光学方法生成诊断脉冲串，脉冲串之间具有时间间隔，在后端通过空间、时间或频谱上的分离进行分离记录，在多分幅实现方式上，现有的多分幅技术在光路排布上不简单、不紧凑，同时在光路搭建完成后，分幅数目与分幅间隔基本已经固定，分幅数目与分幅时间间隔切换十分困难。在对激光等离子体进行诊断时，往往需要针对不同的物理需求设置不同的分幅数目于分幅时间间隔，调整分幅数目与分幅时间间隔十分困难这一缺点非常限制现有多分幅技术的使用场景。
针对现有的多分幅技术在光路排布上不简单、不紧凑，同时在光路搭建完成后，分幅数目与分幅间隔基本已经固定，分幅数目与分幅时间间隔切换十分困难的缺点。本发明仅仅利用两片分束片即可组成一组多分幅模块，利用信号光在多分幅模块中分束片之间的透射与反射实现对信号光的延时，形成多束具有不同延时的信号光，再利用成像记录系统400对多束信号光进行成像与门控记录。
本发明的这种多分幅实现方式，构成十分简单，这使得多分幅光路的搭建十分简单紧凑。同时在调节分幅数目时，只需要略微调整两片分束片的角度；调整分幅间隔时，只需要改变两片分束片的间隔距离。
(2)本发明的这种简单紧凑的多分幅实现方法，不仅在多分幅的光路搭建上，能够大大简化光路的搭建难度，同时这种非常简单的调整分束片角度与分束片间隔即可更改分幅数目与分幅间隔的方式，大大降低了更改分幅数目与切换分幅时间间隔的难度，本发明的这些优点，都是现有多分幅技术没有，同时又是现有多分幅技术非常需要的地方。
(3)本发明通过调整多分幅模块系统300里分束片之间的角度与间隔很轻易的实现了2、4、6、8以及12分幅，分幅间隔400皮秒与1.2纳秒的的多分幅诊断，相关结果在后面展示。突破了现有多分幅技术调节分幅数目与分幅时间间隔调节困难的限制。
(4)利用本发明紧凑型多分幅阴影纹影成像仪，在单发次中获取了不同时刻的激光等离子体阴影、纹影图像，针对不同的物理需求设置不同的分幅数目与分幅时间间隔，极大的提高了等离子体阴影、纹影的诊断效率，减少了惯性约束聚变发次之间带来的不一致性的影响，为惯性约束聚变的等离子体状态演化诊断提供了重要的参数。
该装置不仅为激光惯性约束聚变冕区等离子体诊断提供了一种强有力的技术支撑，同时也为其他一些快过程的等离子体诊断，例如Z箍缩聚变，实验室天体物理，高能量密度物理等提供了一种简单、高效的诊断方法。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图2为图1中的结构示意图；
图3为利用多分幅模块实现多分幅的基本原理示意图；
图4为2分幅纹影诊断结果；
图5为4分幅阴影诊断结果；
图6为6分幅纹影诊断结果；
图7为8分幅阴影诊断结果；
图8为12分幅阴影诊断结果。
其中：1为纳秒长脉冲激光器，2为目标靶，3为第一透镜，4为第二透镜，5为二维狭缝，6为第三透镜，7为纹影挡片，8为第四透镜，9为衰减片，10为门控相机，11为第一分束片，12为第二分束片，13为第三分束片，14为第四分束片；
100为脉冲光源及目标靶系统，200为像传递系统，300为多分幅模块系统，400为成像记录系统。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1、2所示，本发明一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，由脉冲光源及目标靶系统100、像传递系统200、多分幅模块系统300、成像记录系统400构成。
脉冲光源及目标靶系统100由纳秒长脉冲激光器1与目标靶2组成。在具体实验时，另有一束脉冲激光聚焦到目标靶上，产生等离子体。纳秒长脉冲激光器1与目标靶2依次光路连接。
像传递系统200由第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7构成。第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7依次光路连接。
多分幅模块系统300由第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14组成，其中第一分束片11与第二分束片12组成第一组多分幅模块，第三分束片13与第四分束片14组成第二组多分幅模块，在具体实验时可以根据分幅数的多少对多分幅模块的数量进行选择一组或两组。附图画出的光路设置为两组多分幅模块。第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14依次光路连接。
成像记录系统400由第四透镜8、衰减片9与门控相机10组成。第四透镜8与衰减片9、门控相机10依次光路连接。
脉冲光源及目标靶系统100的目标靶2与像传递系统200的第一透镜3光路连接。
像传递系统200的纹影挡片7与多分幅模块系统300的第一分束片11光路连接。多分幅模块系统300的第四分束片14与成像记录系统400的第三透镜8光路连接
如图3所示，一束激光入射到多分幅模块300后，多分幅模块300与门控相机10一起实现多分幅的原理示意图。长脉冲激光入射到一组多分幅模块300后，在多分幅模块300中经过多次反射与透射，并且组成多分幅模块300的分束片反射率为R，考虑脉冲信号如图3中所示，经过门控相机积分后即实现多分幅。
本发明工作过程：光源及目标靶系统100的纳秒长脉冲激光器1产生的激光脉冲宽度为7纳秒，波长在266nm，单脉冲能量大于80mJ，具备重频及外触发工作模式。
目标靶2首先被外部的超强激光烧蚀出等离子体，由纳秒长脉冲激光器1产生的脉冲光入射进目标靶2后，成为携带等离子体信息的信号光，信号光经过第一透镜3后入射到像传递系统200里，之后依次经过第一透镜3，第二透镜4，二维狭缝5，第三透镜6，纹影挡片7后，经过第一分束片11入射到多分幅模块系统300里。第一透镜3与第二透镜4用于将等离子体的像成像到二维狭缝5处；二维狭缝5用于限制诊断视场，防止在门控相机10的记录面上，不同延时的等离子体像之间产生串扰；纹影挡片7用于在傅里叶面上进行遮挡，形成纹影图像，在阴影诊断时，则不需要纹影挡片7。
经过像传递系统200后的信号光再依次经过第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14。信号光在第一分束片11，第二分束片12，第三分束片13，第四分束片14里不断地进行透射与反射，形成多束具有不同延时的信号光，一起经过第四透镜8入射到成像记录系统400里。
由多分幅模块系统300产生的多束具有不同延时的信号光，依次经过第四透镜8，衰减片9后入射到门控相机10的记录面上。第四透镜8用于将不同延时的信号光成像到门控相机10的记录面上，在门控相机10的记录面上会出现多个具有不同延时的等离子体的像。由于门控相机10不能承受很大的光强，衰减片9用于对光强进行衰减，门控相机10对不同延时的等离子体的像进行门控记录，实现多分幅成像记录。
如图7所示，给出了8分幅阴影诊断的结果，对于图7为诊断结果，第一分束片11与第二分束片12间隔6cm，第三分束片13与第四分束片14间隔12cm。因此幅与幅之间的时间间隔为400皮秒，门控相机积分时间设置为200皮秒，时间分辨为200皮秒。
为了更凸显本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在调节分幅间隔与分幅数目上的优越性，下面的结果展示了不同分幅间隔与分幅数目的结果。
如图4所示，2分幅纹影结果展示：该图为对X射线离化线圈靶所产生等离子体的2分幅纹影诊断结果，诊断时刻为0.5ns与1.7ns。图4凸显了本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在针对不同物理需求时分幅间隔与分幅数目调节方便的优越性。
如图5所示，4分幅阴影结果展示：该图为对激光烧蚀CH靶所产生等离子体的4分幅阴影诊断结果，诊断时刻为0ns、0.4ns、0.8ns与1.2n，图5凸显了本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在针对不同物理需求时分幅间隔与分幅数目调节方便的优越性。
如图6所示，6分幅纹影诊断结果：该图为对激光烧蚀CH靶所产生等离子体的6分幅纹影诊断结果，诊断时刻为-3.8ns、-3.4ns、-3.0ns、-2.6ns、-2.2ns与-1.8ns。图6凸显了本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在针对不同物理需求时分幅间隔与分幅数目调节方便的优越性。
如图7所示，8分幅阴影诊断结果：该图为对激光烧蚀CH靶所产生等离子体的8分幅阴影诊断结果，诊断时刻为0ns、0.4ns、0.8ns、1.2ns、1.6ns、2.0ns、2.4ns与2.8n。图7凸显了本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在针对不同物理需求时分幅间隔与分幅数目调节方便的优越性。
如图8所示，12分幅阴影实验结果：该图为对锥口喷所出等离子体的12分幅阴影诊断结果，诊断时刻为-1.4ns、-1.0ns、-0.6ns、-0.2ns、0.2ns、0.6ns、1.0ns、1.4ns、1.8ns、2.2ns、2.6ns、3.0ns，在每幅诊断结果的上方标注出了锥口位置。图8凸显了本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪在针对不同物理需求时分幅间隔与分幅数目调节方便的优越性。
图4-8所示，说明本发明的紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪针对不同物理诊断需求所设置的不同分幅数目与不同分幅间隔的实验诊断结果，凸显了本发明调节分幅间隔与分幅数目上的优越性。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种紧凑型多分幅阴影和纹影成像仪，其特征在于，包括：脉冲光源及目标靶系统(100)、像传递系统(200)、多分幅模块系统(300)和成像记录系统(400)；
脉冲光源及目标靶系统(100)，由纳秒长脉冲激光器(1)产生的一束脉冲光经过由目标靶(2)产生的等离子体后，成为携带等离子体信息的信号光，经过第一透镜(3)后入射到像传递系统(200)；
像传递系统(200)，用于接收信号光，并对等离子体的像进行像传递，导入到多分幅模块系统(300)中；
多分幅模块系统(300)，用于接收信号光并在此处完成对信号光的延时；信号光在多分幅模块系统(300)中不断地进行透射与反射，形成多束具有不同延时的信号光，入射到成像记录系统(400)中；
成像记录系统(400)用于接收经过多分幅模块系统(300)后的多束具有不同延时的信号光，同时将多束具有不同延时的信号光成像到门控相机(10)的记录面上，在门控相机(10)的记录面上出现多个具有不同延时的等离子体的像，门控相机(10)对不同延时的等离子体的像进行门控记录，实现多分幅成像记录；
所述脉冲光源及目标靶系统(100)由纳秒长脉冲激光器(1)与目标靶(2)组成，同时，另有一束脉冲激光聚焦到目标靶(2)上，用于产生等离子体；纳秒长脉冲激光器(1)与目标靶(2)光路连接；由纳秒长脉冲激光器(1)产生的一束脉冲光经过由目标靶(2)产生的等离子体后，成为携带等离子体信息的信号光，经过第一透镜(3)后入射到像传递系统(200)中；
所述像传递系统(200)由第一透镜(3)，第二透镜(4)，二维狭缝(5)，第三透镜(6)，纹影挡片(7)组成；第一透镜(3)，第二透镜(4)，二维狭缝(5)，第三透镜(6)，纹影挡片(7)依次光路连接；信号光依次经过第一透镜(3)，第二透镜(4)，二维狭缝(5)，第三透镜(6)，纹影挡片(7)后，经过第一分束片(11)入射到多分幅模块系统(300)中，第一透镜(3)与第二透镜(4)用于将等离子体的像成像到二维狭缝(5)处；二维狭缝(5)用于限制诊断视场，防止在门控相机(10)的记录面上，不同延时的等离子体像之间产生串扰；纹影挡片(7)用于在傅里叶面上进行遮挡，形成纹影图像，在阴影诊断时，则不需要纹影挡片(7)；
所述多分幅模块系统(300)由第一分束片(11)、第二分束片(12)、第三分束片(13)和第四分束片(14)组成，其中第一分束片(11)与第二分束片(12)组成第一组多分幅模块，第三分束片(13)与第四分束片(14)组成第二组多分幅模块；第一分束片(11)，第二分束片(12)，第三分束片(13)，第四分束片(14)依次光路连接；信号光依次经过第一分束片(11)，第二分束片(12)，第三分束片(13)，第四分束片(14)；信号光在第一分束片(11)，第二分束片(12)，第三分束片(13)，第四分束片(14)中不断地进行透射与反射，形成多束具有不同延时的信号光，一起经过第四透镜(8)入射到成像记录系统(400)中；
所述成像记录系统(400)由第四透镜(8)，衰减片(9)与门控相机(10)组成；第四透镜(8)与衰减片(9)、门控相机(10)依次光路连接；由多分幅模块系统(300)产生的多束具有不同延时的信号光，依次经过第四透镜(8)，衰减片(9)后入射到门控相机(10)的记录面上；第四透镜(8)用于将不同延时的信号光成像到门控相机(10)的记录面上，在门控相机(10)的记录面上会出现多个具有不同延时的等离子体的像，由于门控相机(10)不能承受很大的光强，衰减片(9)用于对光强进行衰减，门控相机(10)对多束具有不同延时的等离子体的像进行门控记录，实现多分幅成像记录；
所述脉冲光源及目标靶系统(100)的目标靶(2)与像传递系统(200)的第一透镜(3)光路连接；
所述像传递系统(200)的纹影挡片(7)与多分幅模块系统(300)的第一分束片(11)光路连接；
所述多分幅模块系统(300)的第四分束片(14)与成像记录系统(400)的第四透镜(8)光路连接。
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