深紫外谱段离轴四反光学成像系统的制作方法

本实用新型涉及一种光学成像系统，尤其涉及一种工作在深紫外谱段的离轴四反光学成像系统。该系统在激光核聚变靶场中，用于收集深紫外探针光与等离子体相互作用产生的汤姆逊散射光谱信号，获取等离子体的各种参数。

背景技术：

在惯性约束激光聚变(ICF)研究中，激光-等离子体相互作用是一个非常关键的研究领域。等离子体对打靶激光产生吸收、散射、聚焦成丝、束间能量传递等，降低了打靶激光能量，破坏了聚变燃料压缩的对称性，超热电子预热燃料增加压缩的难度。在一定程度上，等离子体决定着聚变的成败，有关等离子体的研究在ICF中占据至关重要的地位。

然而对于打靶中产生的高温、高密等离子体，一般的接触式测量手段是行不通的。汤姆逊散射诊断作为一种非接触式的测量方式，具有其独特的优势，已经成为测量激光等离子体参数的必备工具。它的原理是：采用探针光入射等离子体区域，等离子体对入射探针光产生次级辐射，形成散射波，只要测量出散射波谱就可以获得等离子体的电子温度、密度等信息，具有时间分辨的波谱还可反映出等离子体的涨落情况。

现有的汤姆逊散射诊断系统主要有两种：X光汤姆逊散射诊断系统和近紫外/可见/近红外汤姆逊诊断系统。

其中X光汤姆逊散射诊断系统因聚焦困难，主要应用于对聚焦要求不高的磁约束核聚变领域，在激光聚变领域则很少被应用。

现有的近紫外/可见/近红外汤姆逊诊断系统有透射式和折反式两种结构形式，探针光采用可见光(二倍频526.5nm)或近紫外光(四倍频263nm)；其面临的最大问题是信号光很弱，而靶室内杂散光的干扰很强。打靶基频光(1053nm)、二倍频光、三倍频光，以及打靶光的布里渊散射光、拉曼散射光等，使得靶室内杂散光极其复杂，且光谱分布很宽，从紫外至红外。

为了排除靶场杂散光干扰导致的测量信噪比较低的问题，只能将探针光的波长在深紫外或远红外区域选择。但受临界电子密度和等离子体吸收及折射的限制，长波更难以穿越较高电子密度区域，不能满足大于驱动激光的临界密度等离子体区的诊断需求，因此只能选择深紫外波段。

在深紫外汤姆逊散射诊断中，核心问题是深紫外光学系统的设计。深紫外光学系统因光学材料的透过率极低而变得异常困难。另外，由于深紫外衰减严重不能在大气中传输应用，因此深紫外成像系统必须与电子测量记录设备一起集成在有限的真空空间内，由此导致用于放置深紫外成像系统的空间大幅压缩。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种折叠式深紫外离轴四反光学成像系统，以适应狭小的成像空间。

本实用新型的技术解决方案是：

所提供的深紫外谱段离轴四反光学成像系统，定义物面中心为坐标原点，向右为Z轴正向，向上为Y轴正向；其特殊之处在于：

所述成像系统包括窗口玻璃、离轴反射镜一、离轴反射镜二、离轴反射镜三和离轴反射镜四；

定义成像系统入射光束的主光轴为主光轴一，离轴反射镜一反射光束的主光轴为主光轴二，离轴反射镜二反射光束的主光轴为主光轴三，离轴反射镜三反射光束的主光轴为主光轴四；

窗口为平行玻璃窗，位于成像系统入射光线的主光轴上并垂直于Z轴，窗口的前表面距坐标原点距离为600mm；

离轴反射镜一为球面凹反射镜，球面半径为1114.18mm，镜体口径为φ170mm；离轴反射镜一中心沿Y轴正向偏离所述主光轴一261.80mm，并绕X轴逆时针旋转9.378°；沿所述主光轴一方向，离轴反射镜一与窗口之间的距离为692.08mm；

离轴反射镜二为球面凸反射镜，球面半径为905.45mm，镜体口径为φ80mm；离轴反射镜二中心沿Y轴正向偏离所述主光轴一253.85mm，并绕X轴逆时针旋转6.208°；沿所述主光轴二方向，离轴反射镜二与离轴反射镜一之间的距离为692.08mm；

离轴反射镜三为球面凸反射镜，球面半径为1866.64，镜体口径为φ65mm；离轴反射镜三中心沿Y轴正向偏离所述主光轴一246.16mm，并绕X轴逆时针旋转13.12°；沿所述主光轴三方向，离轴反射镜三与离轴反射镜二之间的距离为471.47mm；

离轴反射镜四为凹面离轴抛物镜，抛物镜顶点处曲率半径为1326.64mm，镜体口径为φ65mm；离轴反射镜四中心沿Y轴负向偏离所述主光轴一467.65mm，并绕X轴逆时针旋转30.95°；沿所述主光轴四方向，离轴反射镜四与离轴反射镜三之间的距离为507.80mm。

较佳的，上述窗口材料为MgF2，直径为φ120mm，厚度为8.0mm。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型采用四个离轴设置的离轴反射镜，将成像系统入射光线主光轴经特殊位置和特定型号的光学元件多次反射(即对光束折叠)，输出与成像系统入射光线主光轴平行的出射光线，能够应用于狭小空间。

2、本实用新型采用五倍频(210.6nm)探针光、离轴四反结构。离轴反射结构避免了卡塞格林同轴系统次镜中心遮挡问题；深紫外谱段选择摆脱了靶室杂散光的干扰；具有收光效率高、结构紧凑、传输损耗小、成像质量好等优点。

附图说明

图1为本实用新型的光学系统结构示意图(镜体离轴情况)；

图2本实用新型的光学系统结构示意图(镜体离轴切割后)；

图中：M1‐离轴反射镜一；M2‐离轴反射镜二；M3‐离轴反射镜3；M4‐离轴反射镜四；W‐窗口玻璃。

具体实施方式

本实用新型所提供的成像光学系统结构如图1、2所示，它是一个离轴四反光学系统，内部包含5个光学元件：1个窗口玻璃W，4个离轴反射镜(M1～M4)。窗口玻璃材料为MgF2，M1～M3为球面镜，离轴、倾斜使用；M4为离轴抛物镜。

系统主要性能指标如下：

(a)工作谱段：150nm‐220nm；

(b)视场范围：±3mm；

(c)放大倍率：2.24×；

(d)物方NA：0.06；

(e)物方分辨率：25μm。

下面分别以物面、窗口、M1、M2、M3、M4、像面等7个方面分别说明成像系统的详细参数。系统坐标系为右手坐标系：“物面中心”为“坐标原点”，向右为+Z轴，向上为+Y轴。

为便于说明，首先定义成像系统入射光束的主光轴为主光轴一，离轴反射镜一反射光束的主光轴为主光轴二，离轴反射镜二反射光束的主光轴为主光轴三，离轴反射镜三反射光束的主光轴为主光轴四，离轴反射镜四反射光束的主光轴为主光轴五。

(1)物面

物面中心位于坐标原点；视场大小φ6.0mm；信号光谱范围：150nm～220nm；物方NA：0.06。

(2)窗口W

窗口为平行玻璃窗，材料为MgF2，直径为φ120mm，厚度为8.0mm；垂直于+Z轴放置，前表面与原点距离d1：600.0mm。

(3)反射镜M1

M1为球面凹反射镜，球面半径1114.18mm，Y向离轴量+261.80mm，绕X轴旋转‐9.378°(逆时针)，W和M1之间的距离(沿主光轴一)d2＝692.08mm，镜体口径为φ170mm。

(4)反射镜M2

M2为球面凸反射镜，球面半径905.45mm，Y向离轴量+253.85mm，绕X轴旋转‐6.208°(逆时针)，M1和M2之间的距离(沿主光轴二)d3＝626.58mm，镜体口径为φ80mm。

(5)反射镜M3

M3为球面凸反射镜，球面半径1866.64mm，Y向离轴量+246.16mm，绕X轴旋转‐13.12°(逆时针)，M2和M3之间的距离(沿主光轴三)d4＝471.47mm，镜体口径为φ65mm。

(6)反射镜M4

M4为凹面离轴抛物镜，抛物镜顶点处曲率半径为1326.64mm，Y向离轴量为‐467.65mm，绕X轴旋转‐30.95°(逆时针)，M3和M4之间的距离(沿主光轴四)d5＝507.80mm，镜体口径为φ65mm。

(7)像面

设计的“出射光线主光轴”与“入射光线主光轴”平行，像面与Z轴垂直，像面大小为φ13.44mm，与M4的距离(沿主光轴五)d7＝800.04mm。