多功能激光聚变测量装置的制作方法

本实用新型属于激光测量技术领域，具体涉及一种多功能激光聚变测量装置。

背景技术：

激光烧蚀靶丸产生内爆既是利用聚变能源的有效方法之一，也是高能量密度物理研究的实验手段。压缩过程中，物质往往处于高温高压的极端状态，激光与物质相互作用时间仅在纳秒量级，物态信息的获取需要采用专门的方法。在激光惯性约束诊断领域，任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector，缩写为VISAR)利用光学多普勒效应产生的差频干涉条纹移动量的变化来测量压缩过程中的冲击波速度，可以为求解状态方程提供条件。现在VISAR已发展出多种类型，典型的比如线VISAR、面VISAR以及光纤VISAR，以上三种VISAR的诊断能力大幅提升，并被广泛运用于冲击波测量领域。

但是，激光烧蚀过程是极短而又复杂的，仅仅通过获得冲击波表面速度这一参数依然难以准确还原整个物态变化。每一个实验发次是昂贵的，且实验环境不同对应物态信息情况也是不同的。因此在同一实验发次中获取更多的诊断信息显得十分重要。在VISAR成像过程中，经常出现的情况有局部的条纹消失或者条纹亮度发生剧烈变化，引起条纹图像质量下降。这一情况的出现很大程度上是由于界面对探针光的吸收或是由于界面形状变化导致干涉仪收光变化。条纹图像质量的下降不仅给具体的冲击波速度读取带来困难，而且会引起诊断物理机制的误判。

如图7～图9所示，传统的线VISAR的探针激光经照明镜头1’入射，传输到第一分束镜2’，被第一分束镜2’分为两束，一束被挡光板4’吸收，另一束聚焦在靶面3’上；从靶面3’反射回来的多普勒信号光传输到第一分束镜2’，又会被第一分束镜2’分为两束，一束返回到光源处，另一束传输到第二分束镜5’上后被分为两束，分别进入两套干涉模块，最终成像在第一条纹相机6’和第二条纹相机7’上。其中，有一半的探针激光被挡光板4’吸收，还有一半靶面3’反射回的多普勒信号光返回光源而未被利用。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种多功能激光聚变测量装置，其能够共用传统VISAR的收光光路，保留了传统VISAR干涉测量冲击波速度模块，实现了激光聚变实验中冲击波速度、等离子体温度、表面形变的同时诊断。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种多功能激光聚变测量装置，其要点在于：包括照明镜头、分束镜一、分束镜二、成像镜头一、成像镜头二、成像镜头三、条纹相机一、条纹相机二、条纹相机三、光环形器模块、探针光传像模块、干涉模块一和干涉模块二；由照明镜头射出的一束探针激光经光环形器模块射向分束镜一，由分束镜一分成两束；其中一束探针激光用于聚焦于靶面并反射回多普勒信号光，该多普勒信号光由分束镜一分成两束，其中一束多普勒信号光依次经光环形器模块和成像镜头三成像在条纹相机三上，另一束多普勒信号光由分束镜二再分成两束，其中一束多普勒信号光依次经干涉模块一和成像镜头一成像在条纹相机一上，另一束多普勒信号光依次经干涉模块二和成像镜头二成像在条纹相机二上；另一束探针激光由探针光传像模块分成三束，其中一束探针激光经成像镜头一成像在条纹相机一上，另一束探针激光经成像镜头二成像在条纹相机二上，剩下一束探针激光经成像镜头三成像在条纹相机三上。

采用以上结构，条纹相机一和条纹相机二上同时存在干涉条纹、靶面像和光源(探针激光)的像，不但通过干涉条纹和靶面像能够计算出冲击波表面速度，而且将光源的像用来作为干涉条纹的参考像，能够用于分析探针光被冲击波界面或窗口材料吸收的量即反射率的研究，辅以合适的计算方法可以诊断等离子体界面温度；条纹相机三上能够记录光源的像和靶面像，可以通过判断记录的像的形状变化，分析冲击材料表面的形状变化；因此，本实用新型能够共用传统的线VISAR的收光光路，保留了传统线VISAR干涉测量冲击波速度模块，通过改进光路充分利用了探针激光，在获取干涉拍频计算出冲击波表面速度的同时跟踪探针光吸收强度与冲击波界面变化，并配合合适的图像处理手段，能够将获取更多的物态信息，有利于进一步的物态诊断研究。

作为优选：所述光环形器模块包括双折射晶体一、45°互易旋光片、45°法拉第旋转片、双折射晶体二、反光镜一、反光镜二、偏振分光镜、反光镜三、反光镜四和反光镜五；从照明镜头入射的一束探针激光由双折射晶体二分成两束，两束探针激光依次经45°法拉第旋转片和45°互易旋光片后射向双折射晶体一，由双折射晶体一将两束探针激光合为一束后出射；从分束镜一入射的一束多普勒信号光由双折射晶体一分成两束，其中一束多普勒信号光依次经45°互易旋光片、45°法拉第旋转片、双折射晶体二和反光镜三后射向偏振分光镜，另一束多普勒信号光依次经45°互易旋光片、45°法拉第旋转片、双折射晶体二、反光镜一、反光镜四、反光镜五、反光镜二后射向偏振分光镜，由偏振分光镜将两束多普勒信号光合为一束后出射。采用以上结构，光环形器模块入射的探针激光经双折射晶体分成偏振方向互相垂直的两束光，两束光经45°法拉第旋转片与45°互易旋光片后，偏振方向均发生90°的旋转，最后在双折射晶体处，两束光再次折射并合成一束出射；光环形器模块入射的多普勒信号光先由双折射晶体分成偏振方向互相垂直的两束光，两束光经45°互易旋光片与45°法拉第旋转片后，两束光的偏振状态维持不变，反光镜一、反光镜二、反光镜四和反光镜五用于延长其中一束光的光程用于保持光程一致，另一束光在反光镜三处反射，然后两束光在偏振分光镜处合并后出射；光环形器模块实现了将原本损失的一半多普勒信号光导出并再次利用功能。

作为优选：所述探针光传像模块包括反光镜六、准直镜一、分束镜三、分束镜四和分束镜五；从分束镜一入射的一束探针激光依次经反光镜六和准直镜一后射向分束镜三，由分束镜三分成两束，其中一束探针激光向成像镜头三出射，另一束探针激光由分束镜四分成两束，其中一束探针激光由分束镜五再分成两束，其中一束探针激光向成像镜头一出射，另一束探针激光向成像镜头二出射。采用以上结构，通过探针光传像模块将原本损失的一半探针激光导出后利用，先经反光镜六和准直镜一调整后，一部分向成像镜头三出射，另一部分由分束镜四分成两束，分别向成像镜头一和成像镜头而出射。

作为优选：在所述分束镜三和成像镜头三之间设有汇聚透镜和准直镜二，其中，所述汇聚透镜位于分束镜三和准直镜二之间。采用以上结构，传统的线VISAR具有放大成像功能，探针激光经汇聚透镜后可以将光源的像缩小，探针光经准直镜二后，与光环形器模块的出射多普勒信号光在成像透镜三上耦合，并最终成像在条纹相机三上。

作为优选：在所述分束镜五和成像镜头一之间设有反光镜七和反光镜八，其中，所述反光镜七位于分束镜五和反光镜八之间；所述分束镜五和成像镜头二之间具有反光镜九、反光镜十和反光镜十一，其中，所述反光镜九靠近分束镜五，所述反光镜十一靠近成像镜头二，所述反光镜十位于反光镜九和反光镜十一之间。采用以上结构，通过反光镜七、反光镜八、反光镜九、反光镜十和反光镜十一的设置，能够调整相位姿态并延长光程，使光程保持一致。

作为优选：所述干涉模块一包括准直镜三、分束镜六、反光镜十二和标准具反光镜一；从分束镜二入射的一束多普勒信号光依次经准直镜三射向分束镜六，由分束镜六分成两束，其中一束多普勒信号光由反光镜十二射向分束镜六，另一束多普勒信号光经标准具反光镜一延时后射向分束镜六，分束镜六分别对由反光镜十二和标准具反光镜一入射的多普勒信号光合束进行汇聚，汇聚形成的其中一束多普勒信号光向成像镜头一出射。采用以上结构，多普勒信号光经干涉模块一能够相成型镜头一出射相干光，以使在条纹相机一上所成的像具有干涉条纹，并最终通过物理模型计算冲击波表面速度。

作为优选：所述干涉模块二包括准直镜四、反光镜十三、分束镜七、反光镜十四和标准具反光镜二；从分束镜二入射的一束多普勒信号光依次经准直镜四和反光镜十三射向分束镜七，由分束镜七分成两束，其中一束多普勒信号光由反光镜十四射向分束镜七，另一束多普勒信号光由标准具反光镜二延时后射向分束镜七，分束镜七分别对由反光镜十四和标准具反光镜二入射的多普勒信号光合束进行汇聚，汇聚形成的其中一束多普勒信号光向成像镜头二出射。采用以上结构，多普勒信号光经干涉模块二能够相成型镜头二出射相干光，以使在条纹相机二上所成的像具有干涉条纹，并最终通过物理模型计算冲击波表面速度，其中，标准具反光镜二与干涉模块一的标准具反光镜一的厚度不同，目的是形成双灵敏度测量。

作为优选：在所述分束镜一的前端设置有准直镜五和收光透镜，其中，所述准直镜五位于分束镜一和收光透镜之间。即准直镜五和收光透镜位于分束镜一和靶面之间，探针激光经准直镜五准直后，再由收光透镜聚焦在靶面，最终从靶面反射回带有差频信息的多普勒信号光。

作为优选：在所述光环形器模块和分束镜一之间设有准直镜六。采用以上结构，通过准直镜六对光环形器模块出射的探针激光进行准直。

作为优选：在所述偏振分光镜和成像镜头三之间设置有反光镜十五。采用以上结构，通过反光镜十五能够调整相位姿态。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

采用本实用新型提供的多功能激光聚变测量装置，结构新颖，易于实现，能够共用传统的线VISAR的收光光路，保留了传统线VISAR干涉测量冲击波速度模块，通过改进光路充分利用了探针激光，在获取干涉拍频计算出冲击波表面速度的同时跟踪探针光吸收强度与冲击波界面变化，并配合合适的图像处理手段，能够将获取更多的物态信息，有利于进一步的物态诊断研究。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为探针激光在光环形器模块内的光路示意图；

图3为多普勒信号光在光环形器模块内的光路示意图；

图4为探针光传像模块的结构示意图；

图5为干涉模块一的结构示意图；

图6为干涉模块二的结构示意图；

图7为传统线VISAR的结构示意图；

图8为传统线VISAR的探针激光在第一分束镜处的光路示意图；

图9为传统线VISAR的多普勒信号光在第一分束镜处的光路示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种多功能激光聚变测量装置，包括照明光纤1、照明镜头2、分束镜一4、分束镜二7、成像镜头一8、成像镜头二10、成像镜头三5、条纹相机一9、条纹相机二11、条纹相机三6、光环形器模块A、探针光传像模块B、干涉模块一C和干涉模块二D。探针激光(照明激光)由照明光纤1入射，照明镜头2收集，探针激光聚焦于靶面3反射回带有差频信号的多普勒信号光，多普勒信号光分束后经过光环形器模块A、探针光传像模块B、干涉模块一C和干涉模块二D，最终，在条纹相机一9和条纹相机二11上同时记录干涉条纹、靶面像和光源(探针激光)的像，不但通过干涉条纹和靶面像能够计算出冲击波表面速度，而且将光源的像用来作为干涉条纹的参考像，能够用于分析探针光被冲击波界面或窗口材料吸收的量即反射率的研究，辅以合适的计算方法可以诊断等离子体界面温度，在条纹相机三6上同时记录光源的像和靶面像，可以通过判断记录的像的形状变化，分析冲击材料表面的形状变化。

请参见图1和图2，由照明镜头2射出的一束探针激光射向光环形器模块A，该光环形器模块A包括双折射晶体一a1、45°互易旋光片a2、45°法拉第旋转片a3、双折射晶体二a4、反光镜一a5、反光镜二a6、偏振分光镜a7、反光镜三a8、反光镜四a9和反光镜五a10。光环形器模块A的特点在于光路的非可逆性，且从光环形器模块A出射的光束与入射的光束相比，相位、形状、偏振特点均不会发生变化。其中，双折射晶体一a1和双折射晶体二a4即为能够使光产生双折射现象的光学元件，45°互易旋光片a2用来旋转线偏振光的偏振方向，并且不改变线偏振光的特性，45°法拉第旋转片a3是利用外加磁场使得介质出现旋光效应。

具体地说，请参见图1和图2，从照明镜头2入射的一束探针激光由双折射晶体二a4分成两束，两束探针激光依次经45°法拉第旋转片a3和45°互易旋光片a2后射向双折射晶体一a1，由双折射晶体一a1将两束探针激光合为一束后出射，出射的探针激光经准直镜六14准直后射向分束镜一4，由分束镜一4分成两束，其中一束探针激光射向探针光传像模块B，另一束探针激光先经准直镜五12准直后，再经收光透镜13聚焦于靶面3，靶面3受探针激光照射后反射回来带有差频信息的多普勒信号光，依次经收光透镜13和准直镜五12返回到分束镜一4，并由分束镜一4分成两束多普勒信号光。

请参见图1和图3，分束镜一4分出的其中一束多普勒信号光经准直镜六14准直后进入光环形器模块A，具体地说，从分束镜一4入射的一束多普勒信号光由双折射晶体一a1分成两束，其中一束多普勒信号光依次经45°互易旋光片a2、45°法拉第旋转片a3、双折射晶体二a4和反光镜三a8后射向偏振分光镜a7，另一束多普勒信号光依次经45°互易旋光片a2、45°法拉第旋转片a3、双折射晶体二a4、反光镜一a5、反光镜四a9、反光镜五a10、反光镜二a6后射向偏振分光镜a7，由偏振分光镜a7将两束多普勒信号光合为一束后出射，合束后的多普勒信号光经反光镜十五15后射向成像镜头三5，并最终在条纹相机6成像，即条纹相机6上记录靶面像。

请参见图1，分束镜一4分出的另一束多普勒信号光射向分束镜二7，由分束镜二7再分成两束，其中一束多普勒信号光依次经干涉模块一C和成像镜头一8成像在条纹相机一9上，另一束多普勒信号光依次经干涉模块二D和成像镜头二10成像在条纹相机二11上。

具体地说，请参见图5，所述干涉模块一C包括准直镜三c1、分束镜六c2、反光镜十二c3和标准具反光镜一c4，从分束镜二7入射的一束多普勒信号光依次经准直镜三c1射向分束镜六c2，由分束镜六c2分成两束，其中一束多普勒信号光由反光镜十二c3射向分束镜六c2，另一束多普勒信号光经标准具反光镜一c4延时后射向分束镜六c2，分束镜六c2分别对由反光镜十二c3和标准具反光镜一c4入射的多普勒信号光合束进行汇聚，汇聚形成的其中一束多普勒信号光向成像镜头一8出射，该相干光经成像镜头一8成像在条纹相机一9上，即在条纹相机一9上记录干涉条纹和靶面像。

请参见图6，所述干涉模块二D包括准直镜四d1、反光镜十三d2、分束镜七d3、反光镜十四d4和标准具反光镜二d5。从分束镜二7入射的一束多普勒信号光依次经准直镜四d1和反光镜十三d2射向分束镜七d3，由分束镜七d3分成两束，其中一束多普勒信号光由反光镜十四d4射向分束镜七d3，另一束多普勒信号光由标准具反光镜二d5延时后射向分束镜七d3，分束镜七d3分别对由反光镜十四d4和标准具反光镜二d5入射的多普勒信号光合束进行汇聚，汇聚形成的其中一束多普勒信号光向成像镜头二10出射，该相干光经成像镜头二10成像在条纹相机二11上，即在条纹相机二11上记录干涉条纹和靶面像。需要指出的是，干涉模块二D的标准具反光镜二d5与干涉模块一C的标准具反光镜一c4的厚度不同，目的是形成双灵敏度测量，完成差频干涉图样的采集。

请参见图1和图4，从分束镜一4出射的另一束探针激光由探针光传像模块B分成三束，其中一束探针激光经成像镜头一8成像在条纹相机一9上，另一束探针激光经成像镜头二10成像在条纹相机二11上，剩下一束探针激光经成像镜头三5成像在条纹相机三6上。

具体地说，请参见图4，所述探针光传像模块B包括反光镜六b1、准直镜一b2、分束镜三b3、汇聚透镜b4、准直镜二b5、分束镜四b6、分束镜五b7、反光镜七b8、反光镜八b9、反光镜九b10、反光镜十b11和反光镜十一b12。从分束镜一4入射的一束探针激光依次经反光镜六b1和准直镜一b2后射向分束镜三b3，由分束镜三b3分成两束。

分束镜三b3出射的其中一束探针激光依次经汇聚透镜b4和准直镜二b5后向成像镜头三5出射。其中，由于传统的线VISAR具有放大成像功能，探针激光经汇聚透镜b4后可以将光源的像缩小，探针激光经准直镜二b5后，与光环形器模块A的出射多普勒信号光在成像透镜三5上耦合，并最终成像在条纹相机三6上，使条纹相机三6上能够记录光源的像和靶面像，可以通过判断记录的像的形状变化，分析冲击材料表面的形状变化。

分束镜三b3出射的另一束探针激光由分束镜四b6分成两束，其中一束探针激光反射出光路，起到削弱探针光一半光强的作用，反射出的光强还可以与干涉模块一C和干涉模块二D中未用到的多普勒信号光联合起来继续诊断不同方向的冲击波表面(该方法请参见申请号为201610483038.8的专利申请)。另一束探针激光由分束镜五b7再分成两束。其中一束探针激光依次经反光镜七b8和反光镜八b9后向成像镜头一8出射，成像镜头一8汇聚干涉模块一C出射的多普勒信号光和反光镜八b9出射的探针激光，在条形相机一9上成像，即条形相机一9上同时记录有干涉条纹、靶面像、光源的像。另一束探针激光依次经反光镜九b10、反光镜十b11和反光镜十一b12后向成像镜头二10出射，成像镜头二10汇聚干涉模块二D出射的多普勒信号光和反光镜十一b12出射的探针激光，在条形相机二11上成像，即条形相机二11上同时记录有干涉条纹、靶面像、光源的像。条纹相机一9和条纹相机二11上同时存在干涉条纹、靶面像和光源(探针激光)的像，不但通过干涉条纹和靶面像能够计算出冲击波表面速度，而且将光源的像用来作为干涉条纹的参考像，能够用于分析探针光被冲击波界面或窗口材料吸收的量即反射率的研究，辅以合适的计算方法可以诊断等离子体界面温度。

自此，本实用新型实现了激光聚变实验中冲击波表面速度、等离子体温度、表面形变的诊断，有利于激光聚变实验下的物态分析，为高能量密度物理研究提供了有力的实验方法。

本实用新型的工作过程如下：

探针激光自照明光纤1入射，由照明镜头2收集后，依次经光环形器模块A和准直镜六14射向分束镜一4，由分束镜一4分成两束：其中一束探针激光射向探针光传像模块B后分为三束，其中一束探针激光经成像镜头一8成像在条纹相机一9上，另一束探针激光经成像镜头二10成像在条纹相机二11上，剩下一束探针激光经成像镜头三5成像在条纹相机三6上；另一束探针激光依次经准直镜五12和收光透镜13后聚焦于靶面3，靶面3受探针激光照射后反射回来带有差频信息的多普勒信号光，多普勒信号光依次经收光透镜13和准直镜五12返回到分束镜一4，并由分束镜一4分成两束多，其中一束多普勒信号光经光环形器模块A和成像镜头三5后成像在条纹相机三6上，另一束多普勒信号光由分束镜二7再分成两束，其中一束多普勒信号光依次经干涉模块一C和成像镜头一8成像在条纹相机一9上，另一束多普勒信号光依次经干涉模块二D和成像镜头二10成像在条纹相机二11上。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型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实用新型的保护范围之内。