CN207636185U - 用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，该系统包括多个具有同一离轴抛物面面型的反射型散射板，所有反射型散射板的反射面位于同一个抛物面上，所述抛物面的焦点处设置有探头组。本实用新型采用一个探头组直接对多个反射型散射板的漫反射光叠加信号进行测量，具体包括空间分布测量、光谱测量、时间测量、能量测量等，本实用新型显著简化了取样和测量光路，具有效率高、体积小、光路简单、能量损伤阈值高等优点。

Description

用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统

技术领域

本实用新型属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统。

背景技术

激光核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它在民用和军事上都具有十分重大的研究意义：为人类探索一种取之不尽的清洁核能源；用来研制“干净”(无放射污染)的核武器、发展高能激光武器；部分替代核实验。

因此，激光核聚变受到世界各核大国的高度重视，从20世纪70年代后半叶开始，俄、美、日、法、中、英等国相继开始高功率激光驱动器的研制。美国在此领域的研究处于领先地位，并于2009年正式建成包含192束的超大型激光驱动装置“NIF”；法国正在建设的MLF包含240束激光；日本也在酝酿建造大型激光驱动器，并计划在2015-2020年间完成可应用于发电的基础技术研究。中国也建立了一系列的激光驱动装置(星光系列、神光系列等)，2015年完成建设的国内最大的激光驱动装置“神光－Ⅲ”包含48束激光。

然而，美国NIF在2010年的点火没有成功，这在世界范围引起了较大的震惊。NIF随后的研究发现，原来在较小规模激光驱动器上验证的理论模型在NIF上不再适用，NIF打靶激光的背向散射份额大大超出了原来的预期值，打靶激光能量被大幅消弱，聚变燃料压缩对称性遭到破坏，导致点火失败。由此可见，在未来的激光聚变驱动装置建设中，一方面要增加驱动激光的路数、提升驱动能力，另一方面要重视背向散射光的测量、加强背向散射物理机理的研究。

国内规划的点火装置，其规模将远超世界上在运行及在建的任何一个激光驱动装置，激光束总数庞大，靶场光路错综复杂，空间异常紧张；另外，它采用8束集束打靶(8束激光紧密排布，并行导入靶室)，局部激光束过于集中，大幅压缩了单束激光可利用的诊断空间。

现有的全孔径背向散射光测量系统不适用于未来的点火装置，主要有以下几方面的原因：

(1)效率低

一套设备只能测量1束打靶激光的全孔径背向散射光，应用于多束激光集束打靶的大规模激光驱动装置中时，每束激光都要单独测量，效率较低；

(2)体积大

单束全孔径背向散射光束是横截面为400mm×400mm的平行光，为了实现缩束测量，要求缩束元件的口径大(φ600mm)、焦距长(f：3m)，这导致单束全孔径背向散射光测量系统的体积很大(2.0m×1.0m×2.2m)。在未来的点火装置靶场空间十分紧张的情况下，将之应用于点火装置是不现实的；

(3)光路复杂

现有的全孔径背向散射光测量系统将大口径光束缩束之后，后继光路十分复杂：缩束后的光束被二向色镜光谱分离，分为长波和短波两分支；在两个分支中分别进行空间滤波、准直、取样及空间分布测量、取样及光谱测量、取样及时间测量、取样及能量测量；光路异常复杂。

(4)能量损伤阈值低

现有系统中的大口径、长焦离轴抛物镜采用的是铝镜，铝镜的激光损伤阈值较低(小于0.5J/cm²)，因此全孔径背向散射光到达铝镜前还需要经过一个大口径分光镜的衰减。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，具有效率高、体积小、光路简单、能量损伤阈值高等优点。

本实用新型的技术解决方案是：一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特殊之处在于：包括多个具有同一离轴抛物面面型的反射型散射板，所有反射型散射板的反射面位于同一个抛物面上，所述抛物面的焦点处设置有探头组。

进一步地，上述探头组包括两个能量测量单元、两个时间测量单元、两个光谱测量单元、一个标定探头单元和一个空间分布测量单元；两个能量测量单元分别用于进行长波能量测量和短波能量测量，两个时间测量单元分别用于进行长波时间测量和短波时间测量，两个光谱测量单元分别用于进行长波光谱测量和短波光谱测量。

优选地，上述能量测量单元包括沿光路方向依次设置的能量测量带通滤光片、能量测量可变光阑、能量测量聚光镜头和能量计。

进一步地，在用于长波能量测量的能量测量单元中，能量测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波能量测量的能量测量单元中，能量测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

优选地，上述时间测量单元包括沿光路方向依次设置的时间测量带通滤光片、时间测量耦合镜头和快光电管。

进一步地，在用于长波时间测量的时间测量单元中，时间测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波时间测量的时间测量单元中，时间测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

优选地，上述光谱测量单元包括沿光路方向依次设置的光谱测量带通滤光片、光谱测量光阑、光谱测量耦合镜头和多模光纤，所述多模光纤与光谱仪相连。

进一步地，在用于长波光谱测量的光谱测量单元中，光谱测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波光谱测量的光谱测量单元中，光谱测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

优选地，上述标定探头单元包括光电探头和可旋转保护盖板。

优选地，上述空间分布测量单元包括空间分布成像镜头和ICCD相机，所述空间分布成像镜头内设置有空间分布测量可变光阑。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出了一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统。散射板损伤阈值高，克服了现有诊断设备损伤阈值低的问题；采用一个探头组直接对多个散射板的漫反射光叠加信号进行测量(具体包括空间分布测量、光谱测量、时间测量、能量测量)，显著简化了取样和测量光路，具有效率高、体积小、光路简单、能量损伤阈值高等优点。

附图说明

图1为本实用新型用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统的测量光路结构示意图。

图2为图1中测量光路的A向视图。

图3为本实用新型探头组的较佳实施例平面结构示意图。

图4为本实用新型能量测量单元结构示意图。

图5为本实用新型时间测量单元结构示意图。

图6为本实用新型光谱测量单元结构示意图。

图7为本实用新型标定探头单元结构示意图。

图8为本实用新型空间分布测量单元结构示意图。

其中，附图标记为：1-全孔径背向散射光，2-反射型散射板，3-探头组，4-抛物面，31-能量测量单元，311-能量测量带通滤光片，312-能量测量可变光阑，313-能量测量聚光镜头，314-能量计，32-时间测量单元，321-时间测量带通滤光片，322-时间测量耦合镜头，323-快光电管，33-光谱测量单元，331-光谱测量带通滤光片，332-光谱测量光阑，333-光谱测量耦合镜头，334-多模光纤，34-标定探头单元，341-光电探头，342-可旋转保护盖板，343-步进电机，35-空间分布测量单元，351-空间分布成像镜头，352-ICCD相机，353-空间分布测量可变光阑。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，该系统包括多个具有同一离轴抛物面面型的反射型散射板2，所有反射型散射板2的反射面位于同一个抛物面4上，抛物面4的焦点处设置有探头组3。

参见图2，在本实施例中，集束打靶激光的排布类似于中间缺失的一个3×3阵列，共有8束激光；它们各自的全孔径背向散射光1沿各自打靶光路逆向传输，经由光学分光镜将之从打靶光路中分离出来，进入全孔径背向散射测量系统。8束方形的全孔径背向散射光1的排布与打靶激光相似，类似于中间缺失的一个3×3阵列结构；具有同一离轴抛物面面型的8块反射型散射板2分别接收8束全孔径背向散射光1，并将之以近朗伯散射的形式散射于半球空域，位于公共的抛物面焦点上的探头组3用于对8束全孔径背向散射光1的混合信号进行多参数测量，具体包括空间分布测量、光谱测量、时间测量、能量测量等。

对于反射型散射板2，抛物面型的设计是为了减小时间测量误差，离轴设计是为了防止探头组遮挡光路。根据光学常识，在抛物面焦点处是没有任何像差的，即到达焦点的各种光线的光程相等，不存在时间差。本实施例将具有同一抛物面面型的散射板分为8块的原因是减小单件零件的口径，便于加工和检测。

参见图3，探头组3包括两个能量测量单元31、两个时间测量单元32、两个光谱测量单元33、一个标定探头单元34和一个空间分布测量单元35。两个能量测量单元31分别用于进行长波能量测量和短波能量测量，两个时间测量单元32分别用于进行长波时间测量和短波时间测量，两个光谱测量单元33分别用于进行长波光谱测量和短波光谱测量。

参见图4，能量测量单元31包括沿光路方向依次设置的能量测量带通滤光片311、能量测量可变光阑312、能量测量聚光镜头313和能量计314。应用于长波测量时，能量测量带通滤光片311的通光带宽为400-700nm；应用于短波测量时，能量测量带通滤光片311的通光带宽为351±3nm。能量测量可变光阑312可以调节通光量的大小，以满足不同散射水平的各种实验的需求。

参见图5，时间测量单元32包括沿光路方向依次设置的时间测量带通滤光片321、时间测量耦合镜头322和快光电管323。应用于长波测量时，时间测量带通滤光片321的通光带宽为400-700nm；应用于短波测量时，时间测量带通滤光片321的通光带宽为351±3nm。在散射时间测量中，为减小时间测量误差，将散射板的面型设计为抛物面，同时将探头组置于抛物面焦点处，理论上在抛物面焦点处的时间弥散为零，这对时间测量单元来说极为有利。

参见图6，光谱测量单元33包括沿光路方向依次设置的光谱测量带通滤光片331、光谱测量光阑332、光谱测量耦合镜头333和多模光纤334，多模光纤334与光谱仪相连。应用于长波测量时，光谱测量带通滤光片331的通光带宽为400-700nm；应用于短波测量时，光谱测量带通滤光片331的通光带宽为351±3nm。

参加图7，标定探头单元34包括光电探头341和可旋转保护盖板342。可旋转保护盖板342可以在步进电机343的驱动下旋转，在标定时开启，标定结束后关闭以保护光电探头341。

参见图8，空间分布测量单元35包括空间分布成像镜头351和ICCD相机352，空间分布成像镜头351内设置有空间分布测量可变光阑353。空间分布测量可变光阑353可以控制通光量，防止ICCD相机352曝光不足或过饱和。

本实施例中，探头组3内的各个测量单元相互独立，不存在多次分束再测量的分光光路，结构简单。同时，将标定探头集成在探头组中，标定和实验两种模式可远程控制，简化了日常标定流程。

Claims (10)

1.一种用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：包括多个具有同一离轴抛物面面型的反射型散射板，所有反射型散射板的反射面位于同一个抛物面上，所述抛物面的焦点处设置有探头组。

2.根据权利要求1所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述探头组包括两个能量测量单元、两个时间测量单元、两个光谱测量单元、一个标定探头单元和一个空间分布测量单元；两个能量测量单元分别用于进行长波能量测量和短波能量测量，两个时间测量单元分别用于进行长波时间测量和短波时间测量，两个光谱测量单元分别用于进行长波光谱测量和短波光谱测量。

3.根据权利要求2所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述能量测量单元包括沿光路方向依次设置的能量测量带通滤光片、能量测量可变光阑、能量测量聚光镜头和能量计。

4.根据权利要求3所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：在用于长波能量测量的能量测量单元中，能量测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波能量测量的能量测量单元中，能量测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

5.根据权利要求2所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述时间测量单元包括沿光路方向依次设置的时间测量带通滤光片、时间测量耦合镜头和快光电管。

6.根据权利要求5所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：在用于长波时间测量的时间测量单元中，时间测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波时间测量的时间测量单元中，时间测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

7.根据权利要求2所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述光谱测量单元包括沿光路方向依次设置的光谱测量带通滤光片、光谱测量光阑、光谱测量耦合镜头和多模光纤，所述多模光纤与光谱仪相连。

8.根据权利要求7所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：在用于长波光谱测量的光谱测量单元中，光谱测量带通滤光片的通光带宽为400-700nm；在用于短波光谱测量的光谱测量单元中，光谱测量带通滤光片的通光带宽为351±3nm。

9.根据权利要求2-8中任一所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述标定探头单元包括光电探头和可旋转保护盖板。

10.根据权利要求2-8中任一所述的用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统，其特征在于：所述空间分布测量单元包括空间分布成像镜头和ICCD相机，所述空间分布成像镜头内设置有空间分布测量可变光阑。