任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统及匀化方法与流程

本发明属于激光探测技术领域，涉及一种任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统及匀化方法。

背景技术：

任意反射表面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector，简称VISAR)是一种基于光在运动物体表面反射产生多普勒频移效应进行测速、具有探针光的主动式、高空间分辨的速度干涉仪。在国内外VISAR被广泛用于惯性约束核聚变(ICF)的研究，是最近几十年内发展起来的最重要的波剖面测试设备，可以用于物质高压状态方程实验、材料特性实验、冲击特性瑞利-泰勒实验、脉冲整形实验等。

VISAR的探针光使用的是某种波长的激光，该探针光系统通常由激光器、输出光纤、光束预整形光路、探针形成光路这四部分构成。从光学成像关系角度来说，输出光纤的末端面为“物面”，光束预整形光路和探针形成光路共同构成一个成像镜头，被探照的靶面为“像面”。换言之，光束预整形光路和探针形成光路共同构成的成像镜头将“光纤端面”成像在“靶面”处，“光纤端面”和“靶面”具有物像共轭关系。因而，若要求“靶面”被均匀照明，则要求激光在“光纤端面”必须是均匀分布的。

然而，从国际上来看，VISAR探针光的照明均匀性一直是困扰科研人员的一个关键问题。科研人员尝试了许多种解决方案，但一直未能取得比较理想的效果。

美国在该问题的解决上大致经历了两个阶段：第一阶段，大幅延长光纤长度；第二阶段，使用多根光纤同时照明。但效果均不是十分理想：在第一阶段中，他们将昂贵的芯径为φ1mm的特制光纤的长度增加到30m，以期光线在光纤中充分反射、混合，起到匀化作用。但是，每一根光线在光纤中的反射都是周期性的，因此光束的整体效果也是周期性的，简单地增加光纤长度达不到预期的匀化效果；在第二阶段中(即现在美国NIF装置正在应用的方案)，他们将三根芯径为φ1mm的光纤紧密排成“品”字形，用三根光纤同时照明“靶面”，以期在“靶面”处使三个照明光斑相互交错叠加，改善“靶面”照明不均的状况。此方法具有一定的匀化效果，但由于光纤数太少其改善效果十分有限，况且该方法使得照明光斑分散，导致“靶面”激光能量密度大幅降低，激光能量的利用率大幅下降。

国内在该问题的解决上大致也经历了两个阶段：第一阶段，同样大幅增加光纤长度；第二阶段，光学离焦。其中，光学离焦指的是通过改变光纤端面的轴向位置，打破“光纤端面”和“靶面”的物像共轭关系，这样在“靶面”处就得不到“光纤端面”的清晰像，即得到的是模糊的像，正是通过这种模糊化方式，以期获得匀化效果。但是，若模糊化严重了，的确可以起到一定的匀化效果，但离焦之后照明光斑会大幅增大，致使激光的能量利用率急剧降低。

技术实现要素：

为了解决VISAR探针光照明的均匀性问题，本发明提出了一种任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统和匀化方法。

本发明通过一套特殊的光学系统对“光纤端面”的出射光束的结构进行重组，并形成一个光斑分布绝对匀化的“虚拟的光纤端面”，以此“虚拟的光纤端面”替代原有的光纤端面，从而使“虚拟的光纤端面”和“靶面”形成物像共轭关系。本发明既可获得绝对的光斑匀化效果，照明面积大小又可控，也能充分利用激光器功率。

本发明的技术方案是：

任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统包括光纤输出激光器；其特殊之处在于：所述匀化系统还包括准直镜头和缩束镜；所述准直镜头设置在光纤激光器的输出光路上，并且准直镜头的焦面位于光纤输出激光器的光纤端面处；所述缩束镜包括缩束镜前组和缩束镜后组；缩束镜前组设置在准直镜头的输出光路上；缩束镜后组设置在缩束镜前组的输出光路上，并且缩束镜前组和缩束镜后组的焦面重合，构成开普勒望远镜结构；

为保证虚拟光纤端面6处光斑大小、数值孔径均与光纤端面1处的相同，所述光纤端面的光纤芯径D₀、准直镜头的焦距f₁、缩束镜前组的焦距f₂和缩束镜后组的焦距f₃满足如下关系：

式中，α为所述光纤端面出射光束的出射半角；f₁和f₂均为预设值，f₂>f₁>5mm；

匀化系统的出瞳位置即为匀化后的虚拟光纤端面，光纤输出激光器的光纤端面上每一点出射的光束经准直镜头和缩束镜均匀展开并层层叠加后从所述虚拟光纤端面输出。

为去除高频干扰，获得更加理想的匀化效果，在上述缩束镜前组和缩束镜后组的中间像面处(即光纤端面经准直镜头和缩束镜前组所成像的像面处)设置有滤波孔。

为更方便的确定虚拟光纤端面的位置，在上述准直镜头上设置有光阑，光阑处为匀化系统的入瞳位置，匀化系统的出瞳位置即为匀化后的虚拟光纤端面。

本发明还提供了一种采用上述匀化系统对探针光进行匀化的方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

(1)使用准直镜头对从光纤端面上的每一个点所发出的光束进行准直

(2)使用缩束镜前组对步骤(1)中准直镜头的输出光束进行聚焦；

(3)使用缩束镜后组对步骤(2)中缩束镜前组的输出光束进行再准直，根据物像共轭关系，匀化系统的出瞳位置即为匀化后的虚拟光纤端面。

考虑到高频光会对虚拟光纤端面的光斑造成干扰，可在上述步骤(3)之前使用滤波孔先将光束中的高频成分滤除以获得更理想的匀化效果。滤波孔设置在所述缩束镜的中间像面位置，即所述光纤输出激光器的光纤端面经准直镜头和缩束镜前组所成像的像面处。

本发明采用准直物镜和缩束镜组成匀化光路，将光纤输出激光器的“光纤端面”的每一个点的光斑展开并层层叠加，便可形成相对于“原光纤端面”(光纤输出激光器的光纤端面)数值孔径不变、光斑直径不变、光斑分布绝对匀化的“虚拟光纤端面”。

本发明的优点是：

1、匀化效果好

本发明“虚拟光纤端面”上的光斑是“原光纤端面”上每一个点光斑均匀展开再层层叠加的结果，无论原光纤端面上的光斑如何分布不均，在“虚拟光纤端面”上的光斑分布几乎能达到绝对的均匀；同通过各光学元件参数关系以及位置关系的设置，保证了“虚拟光纤端面”的光斑大小和数值孔径与“原光纤端面”相同。

2、本发明的缩束镜采用有中间像面的结构形式，并在中间像面上设置滤波孔以滤除激光中的高频成分，去除高频干扰，有利于达到更理想的匀化效果。

3、适用性好

本发明不改变VISAR现有的“光束预整形光路”和“探针形成光路”，只需在光纤前端加入匀化光路，用“虚拟光纤端面”替代原“光纤端面”即可。因此，对现有VISAR的升级改造非常方便。

说明书附图

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明的匀化效果示意图。

其中：1-光纤端面；2-准直镜头；3-缩束镜前组；4-滤波孔；5-缩束镜后组；6-虚拟光纤端面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所提供的任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统包括光纤输出激光器、准直镜头2以及由缩束镜前组3和缩束镜后组5组成的缩束镜。

准直镜头2设置在光纤输出激光器的输出光路上，并且准直镜头2的焦面位于光纤输出激光器的光纤端面1处。缩束镜前组3设置在准直镜头2的输出光路上；缩束镜后组5设置在缩束镜前组3的输出光路上；缩束镜前组3和缩束镜后组5的焦面重合，构成开普勒望远镜结构。

为保证虚拟光纤端面6处光斑大小、数值孔径均与光纤端面1处的相同，光纤端面1的光纤芯径D₀、准直镜头2的焦距f₁、缩束镜前组3的焦距f₂和缩束镜后组5的焦距f₃满足如下关系：

式中，α为所述光纤端面出射光束的出射半角；f₁和f₂均为预设值，f₂>f₁>5mm。

为去除高频干扰，获得更加理想的匀化效果，在缩束镜前组3和缩束镜后组5的中间像面处(即光纤端面1经准直镜头2和缩束镜前组3所成像的像面处)设置有滤波孔4。

为更方便的确定虚拟光纤端面6的位置，在准直镜头2上设置有光阑，光阑处(也即准直镜头2处)为匀化系统的入瞳位置，匀化系统的出瞳位置(入瞳和出瞳是物像共轭关系)即为匀化后的虚拟光纤端面。换言之，出瞳是入瞳经过由缩束镜前组3和缩束镜后组5组成的缩束镜所成的像，该像的位置即为虚拟光纤端面6的位置。

本发明所提供的匀化系统将光纤端面1上每一个点发出的光束都以特定直径(直径大小由缩束镜的缩束比控制)的平行光从虚拟光纤端面6出射。虚拟光纤端面6上的光斑是光纤端面1上每一个点光斑均匀展开并层层叠加的结果，无论光纤端面1上的光斑分布如何不均，在虚拟光纤端面6上的光斑分布几乎可以达到绝对的均匀。

本发明还提供了一种采用前述匀化系统对探针光进行匀化的方法，包括以下步骤：

(1)使用准直镜头2对从光纤端面1上的每一个点所发出的光束进行准直；

(2)使用长焦距的缩束镜前组3对步骤(1)中准直镜头2的输出光束进行聚焦；

(3)使用短焦距的缩束镜后组5对步骤(2)中缩束镜前组3的输出光束进行再准直，根据物像共轭关系，匀化系统的出瞳位置即为匀化后的虚拟光纤端面6。

考虑到高频光会对虚拟光纤端面的光斑造成干扰，本发明在上述步骤(3)之前使用滤波孔4先将光束中的高频成分滤除以获得更理想的匀化效果。本发明将滤波孔4设置在缩束镜的中间像面位置，即光纤端面1经准直镜头2和缩束镜前组3所成像的像面处。

本发明采用准直物镜2和缩束镜组成匀化系统，将光纤端面1的每一个点的光斑展开并层层叠加，便可形成光斑分布绝对匀化的虚拟光纤端面6，并且虚拟光纤端面6的数值孔径和光斑直径均等于光纤端面1的数值孔径和光斑直径。

下面结合具体实施例对本发明的光学参数和匀化效果作进一步的说明。

实施例：

图2为光纤端面1的中心点发出的数值孔径NA＝0.27的光束经过匀化系统后得到直径为φ1mm的平行光束的效果示意图。图2中的各参数为：

f₁-准直镜头2的焦距；

d₁-准直镜头2和缩束镜前组3之间的间距；

f₂-缩束镜前组3的焦距；

f₃-缩束镜后组5的焦距；

d₂-缩束镜后组5和虚拟光纤端面6之间的距离；

NA-光纤端面1处光束的数值孔径；

NA'-虚拟光纤端面6处光束的数值孔径；

α为光纤端面1出射光束的出射半角；

NA'＝NA＝sinα；

D₁-经准直镜头2准直后的光束口径；

D₂-滤波孔4的直径；

D₃-虚拟光纤端面6处的光束口径。

光纤端面1各个点发出的数值孔径NA＝0.27的光束经过匀化系统后的匀化效果如图2所示，由图2可见，匀化系统将光纤端面1每一点出射的光束都以直径为φ1mm的平行光从虚拟光纤端面6出射，虚拟光纤端面6处光束的数值孔径NA'＝0.27。

虚拟光纤端面6的光斑是光纤端面1上每一个点光斑均匀展开、再层层叠加的结果。无论光纤端面1上光斑分布如何不均，在虚拟光纤端面6上的光斑分布几乎可以达到绝对的均匀。

在匀化系统中，准直镜头2的焦距f₁决定了经其准直后的光束口径D₁，

D₁＝2*f₁*tanα＝2f₁*tan(arcsin0.27) (公式2)

可见，准直镜头2的焦距f₁准直后的光束口径D₁呈正比。由于整个匀化系统最终要得到D₃＝1mm的虚拟光纤端面6，因而缩束镜的缩束比为

D₁:D₃＝D₁:1＝2f₁*tan(arcsin0.27):1＝2f₁*tan(arcsin0.27)(公式3)可见，准直镜头2的焦距f₁同时决定了缩束镜的缩束比。

当缩束镜的缩束比确定之后，则缩束镜前组3和缩束镜后组5的焦距之比随之确定，因为缩束镜的缩束比同时等于f₂:f₃。因此可得，

f₂:f₃＝2f₁*tan(arcsin0.27) (公式4)

滤波孔4位于缩束镜的中间像面位置，它与光纤端面1成物像共轭关系，中间像面是光纤端面1经准直镜头2和缩束镜前组3所成的像，像面大小与两镜头(即准直镜头2和缩束镜前组3)的焦距有关，滤波孔4的直径

D₂＝f₂:f₁ (公式5)

虚拟光纤端面6的位置与准直镜头2和缩束镜前组3之间的间距d₁、缩束镜前组3的焦距f₂、缩束镜后组5的焦距f₃都有关系。因为虚拟光纤端面6位于匀化系统的出瞳位置，而匀化系统的入瞳在准直镜2上，入瞳和出瞳是物像共轭关系。换言之，出瞳是入瞳经过缩束镜(包括缩束镜前组3和缩束镜后组5)所成的像，其物距为d₁，像距为d₂。

下面以f₁＝20mm，f₂＝100mm，D₃＝1mm为例，给出图中各参数的数据：

D₁＝2f₁*tan(arcsin0.27)＝11.216mm；

取物距d₁＝10mm时(d₁值不固定，变化时只影响像距d₂)，

D₂＝f₂:f₁＝5.000mm；

由缩束比f₂:f₃＝2f₁*tan(arcsin0.27)得出f₃＝8.916mm；

利用高斯公式分两步计算d2：

高斯公式：其中，f为透镜物方焦距，f'为透镜像方焦距，l为物距，l'为像距。

第一步：计算准直镜2的入瞳经缩束镜前组3所成像的位置。

已知缩束镜前组3的物距：l＝-10mm；物方焦距f＝-100mm；像方焦距f'＝100mm，根据高斯公式可以求得入瞳相对缩束镜前组3的像距l'＝-11.111mm；

第二步：根据传递关系，缩束镜前组3的“像”即为缩束镜后组5的“物”。

已知缩束镜后组5的物距：l＝(-11.111)+(-100)+(-10)＝-121.111mm；

物方焦距f＝-8.916mm；像方焦距f'＝8.916mm

根据高斯公式可以求得出瞳的位置d2＝l'＝9.624mm。