三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法与流程

文档序号：14712593发布日期：2018-06-16 00:42阅读：181来源：国知局

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法。

背景技术：

惯性约束核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它利用高能激光作为驱动源(直接或间接驱动)，几十束甚至几百束高能激光按照一定的时序持续地压缩靶丸内的燃料，使之达到极高的温度和压强，直至实现聚变反应。惯性约束核聚变在民用和军事上都具有十分重大的研究意义，它将为人类探索一种清洁的核能源，研究成果还可用来研制无放射污染的核武器以及发展高能激光武器等。因此，该研究领域受到了世界各核大国的高度重视，建立了一系列的激光驱动装置。

目前世界上主要的激光驱动装置有：美国的Nova(10束激光)，Beamlet(1束激光)，Omega(60束激光)，NIF(192束激光)等；俄罗斯的Iskra-6(128束激光)等；日本的GekkoⅫ(12束激光)等；法国的Phebus(2束激光)，LMJ(240束激光)等；中国的神光-Ⅱ(8束激光)，神光-Ⅲ原型(8束激光)，神光-Ⅲ主机(48束激光)等；英国的Vulcan(8束激光)等。

对驱动激光时序进行整形是一项至关重要的工作。随着ICF(Inertial Confinement Fusion)研究的不断深入，人们发现实现高增益聚变的条件极为苛刻，因而被迫建立规模越来越大的激光驱动装置，不断提升驱动能力。相关研究表明，若能对燃料进行等熵压缩，实现聚变所需的驱动能量最小。为了实现等熵压缩，将驱动激光按时序构成一连串强度越来越大的驱动能量对燃料分步进行预热、预点火、预压缩、压缩，整个过程持续只有几十纳秒(10^-9s)。在这个微观的时间段内，几百束激光必须按照预定的时序精确地到达靶丸，它们的时序一旦出现错乱，将导致打靶失败。因此，在激光驱动器投入运行初期，对激光脉冲的时序进行整形是一项非常重要的调试工作。

目前，国内外均采用聚变冲击波干涉测速系统(Velocity Interferometer System for Any Refector，缩写为VISAR)进行聚变冲击波速度测量，其原理光路如图1所示。照明激光经照明光纤1传输，经照明镜头2整形后，经照明分束镜3反射，由成像镜头一4聚焦于靶面5。从靶面5反射的多普勒信号光经成像镜头一4会聚于中间像面6，然后光束由信号分束镜7分为两束。第一束信号经准直镜一8准直后，进入干涉仪一9，干涉仪一9中设置平行平晶标准具一10；相干光束经会聚镜一11成像在条纹相机一12的狭缝一13上。第二束信号经准直镜二14准直后，进入干涉仪二15，干涉仪二15中设置另一种厚度的平行平晶标准具二16；相干光束经会聚镜二17成像在条纹相机二18的狭缝二19上。

在图1中，平行平晶标准具使干涉仪的一个支臂产生Δτ的时间延迟。当目标静止时，干涉仪两支臂光的频率相同，条纹相机狭缝处得到静止的干涉条纹；当冲击波加载目标出现突然加速运动时，其返回的光产生多普勒频移，干涉仪输出的是两束具有Δτ时间差的频移光混频产生的差拍信号，差拍频率等于两束光的频率差。

该系统在神光-Ⅲ原型装置实验中获得的典型数据如图3所示，在纵坐标3ns处冲击波到达，然后冲击波在100ps以内瞬间达到30km/s的速度(参见图4)，起始阶段多普勒频移效应非常剧烈，干涉条纹出现丢失(参见图3中的干涉条纹放大视图)。条纹丢失的原因是：干涉仪一个支臂存在延迟标准具，其延迟时间为Δτ，在0～Δτ时间段内，干涉仪无延迟支臂的多普勒频移光已经到达输出端，而有延迟支臂的多普勒频移光仍没有到达，输出端是本振频率激光与多普勒频移光的叠加，其差拍频率过高，超出条纹相机响应范围而出现条纹丢失。

条纹丢失的理论依据如下：

两束光频率差dγ的计算公式见式(1)，

其中，u为冲击波的速度，c为光速；λ0为探针光波长(532nm)。

若冲击波速度u按30km/s计算，则dγ＝1120GHz。

而目前世界上最高档的条纹相机的时间分辨在12ps，对应的响应频率为：

由此可见，目前的条纹相机无法响应0～Δτ时间段内的差频信号，故出现条纹丢失。

而VISAR根据条纹移动量计算冲击波速度的公式如式(2)、(3)：

u′(t)≈u′0+KF(t)+σ(τ0) (2)

其中，u′(t)是t时刻的目标速度，u′0是目标初始速度，K是条纹常数(m/s/Fr，米/秒/条纹)，F(t)是干涉条纹移动量，λ0是探针激光波长，σ(τ0)是泰勒展开式的高阶项小数；

静态时u′0＝0，并忽略高阶小量，则有：

u′(t)≈K·F(t) (4)

式(4)是VISAR测速的近似公式，其中干涉条纹移动量F(t)可用N+ΔN表示，N为干涉条纹移动量的整数部分，ΔN为干涉条纹移动量的小数部分。ΔN可由图3中干涉条纹的错位量判读出来，但是在干涉条纹断裂处丢失了多少整数个干涉条纹却不得而知，这就是VISAR面临的最大难题——条纹丢失。

由于条纹丢失现象的存在，在计算冲击波速度时将得到无穷多个解，这就需要理论预估冲击波的速度，根据预估值再在系列解中挑选。由于多组解的间隔基本恒定，冲击波的速度越高，两个相邻的解的差异越不明显，若理论估计的速度范围不够精确，则很难在多组解中做出取舍，因此也就无法对冲击波速度进行准确求解。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法，解决了现有的测量方法依赖理论估计而无法对冲击波速度进行准确求解的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统，其特殊之处在于：包括成像单元、分束镜单元和测量单元，所述测量单元包括测量分支一、测量分支二和测量分支三；

所述分束镜单元将成像单元产生的光束分为三束分支光后分别进入测量单元的测量分支一、测量分支二和测量分支三；

所述测量分支一包括沿光路传播方向依次设置的准直镜一、干涉仪一、会聚镜一和条纹相机一；所述干涉仪一包括分束镜一、合束镜一和两个反射镜一，由分束镜一分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜一反射后再由合束镜一合束出射；其中一个反射镜一的反射光路上设置有平行平晶标准具一；

所述测量分支二包括沿光路传播方向依次设置的准直镜二、干涉仪二、会聚镜二和条纹相机二；所述干涉仪二包括分束镜二、合束镜二和两个反射镜二，由分束镜二分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜二反射后再由合束镜二合束出射；其中一个反射镜二的反射光路上设置有平行平晶标准具二；

所述测量分支三包括沿光路传播方向依次设置的准直镜三、干涉仪三、会聚镜三和条纹相机三；所述干涉仪三包括分束镜三、合束镜三和两个反射镜三，由分束镜三分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜三反射后再由合束镜三合束出射；其中一个反射镜三的反射光路上设置有平行平晶标准具三，另一个反射镜三的反射光路上设置有平行平晶标准具四。

进一步地，上述成像单元包括照明光源、照明分束镜和成像镜头，照明光源发出的激光经照明分束镜反射后再经过成像镜头聚焦于靶面，由靶面反射的多普勒信号光经成像镜头会聚于中间像面，然后经分束镜单元进入测量单元；

进一步地，上述照明光源与照明分束镜之间设置有整形照明镜头。

进一步地，上述照明光源发出的激光经照明光纤传输至整形照明镜头。

进一步地，上述分束镜单元包括沿光路方向依次设置的信号分束镜一和信号分束镜二。

本发明还提供一种基于上述的三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)由条纹相机一、条纹相机二和条纹相机三分别获得测量分支一、测量分支二和测量分支三的干涉条纹图像；

2)由测量分支一的干涉条纹图像中判读得到测量分支一的干涉条纹移动量小数部分ΔN1，由测量分支二的干涉条纹图像中判读得到测量分支二的干涉条纹移动量小数部分ΔN2；由测量分支三的干涉条纹图像中判读得到测量分支三的干涉条纹移动总量F3(t)；

3)联立测量分支一和测量分支二的冲击波速度计算公式得到关于未知数u(t)、N1和N2的方程组：

u(t)＝K1·(N1+ΔN1)

u(t)＝K2·(N2+ΔN2)

其中，u(t)为待求解的冲击波速度，单位是米/秒；K1为测量分支一的条纹常数，单位是米/秒/条纹；N1为测量分支一的干涉条纹移动量整数部分，ΔN1为测量分支一的干涉条纹移动量小数部分；K2为测量分支二的条纹常数，单位是米/秒/条纹；N2为测量分支二的干涉条纹移动量整数部分，ΔN2为测量分支二的干涉条纹移动量小数部分；

求解方程组得到冲击波速度u(t)的系列解；

4)根据测量分支三的干涉条纹移动总量F3(t)计算得到冲击波速度近似解u3＝K3·F3(t)；其中，K3为测量分支三的条纹常数，单位是米/秒/条纹；

5)在步骤3)得到的u(t)的系列解中筛选得出与u3最接近的解，即为冲击波准确速度。

本发明的有益效果在于：本发明在双灵敏度VISAR的基础上，增加第三个灵敏度测速分支。在第三个灵敏度的测速分支中，提出了一种差分标准具方案；差分标准具是在马赫-曾德干涉仪两臂各设置一个标准具，它们的厚度不同但相对差异极小；这样，通过控制两个标准具的厚度差可以在干涉仪两臂实现极小的相对延迟时间；极小的相对延迟时间使得干涉仪输出端叠加的两束多普勒频移光的频率差极小，因此混频后的差拍信号的频率可以无限制的低；只要差拍频率低于探测器的响应频率，就不会出现条纹丢失。这样，利用不丢失干涉条纹的第三灵敏度VISAR判读条纹移动的总量，结合传统双灵敏度VISAR速度灵敏度高的优势，就可准确求解冲击波速度。

附图说明

图1为现有的双灵敏度VISAR光路原理示意图。

图2为干涉仪一和干涉仪二得到的干涉条纹图像对比。

图3为冲击波速度与时间的关系示意图。

图4为本发明三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统光路原理示意图。

图5为图4中的A处放大视图。

图6为图4中的B处放大视图。

其中，附图标记为：1-照明光源，2-整形照明镜头，3-照明分束镜，4-成像镜头，5-靶面，6-中间像面，7-信号分束镜一，8-准直镜一，9-干涉仪一，91-分束镜一，92-合束镜一，93-反射镜一，10-平行平晶标准具一，11-会聚镜一，12-条纹相机一，13-狭缝一，14-准直镜二，15-干涉仪二，16-平行平晶标准具二，17-会聚镜二，18-条纹相机二，19-狭缝二，20-信号分束镜二，21-准直镜三，22-干涉仪三，221-分束镜三，222-合束镜三，223-反射镜三，23-平行平晶标准具三，24-平行平晶标准具四，25-会聚镜三，26-条纹相机三，27-狭缝三。

具体实施方式

参见图4，本发明为一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统，其结构包括成像单元、分束镜单元和测量单元，测量单元又包括测量分支一、测量分支二和测量分支三。

成像单元包括照明光源1、照明分束镜3和成像镜头4，照明光源1发出的激光经照明分束镜3反射后再经过成像镜头4聚焦于靶面5，由靶面5反射的多普勒信号光经成像镜头4会聚于中间像面6，然后经分束镜单元进入测量单元。照明光源1与照明分束镜3之间设置有整形照明镜头2，照明光源1发出的激光经照明光纤传输至整形照明镜头2。

分束镜单元包括沿光路方向依次设置的信号分束镜一7和信号分束镜二20，分束镜单元将成像单元产生的光束分为三束分支光后分别进入测量单元的测量分支一、测量分支二和测量分支三。在实际测量中，调整信号分束镜一7和信号分束镜二20的分光比，使得进入三个测量分支的三束分支光份额等同。

测量分支一包括沿光路传播方向依次设置的准直镜一8、干涉仪一9、会聚镜一11和条纹相机一12。参见图5，干涉仪一9包括分束镜一91、合束镜一92和两个反射镜一93，由分束镜一91分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜一93反射后再由合束镜一92合束出射；其中一个反射镜一的反射光路上设置有平行平晶标准具一10；

测量分支二包括沿光路传播方向依次设置的准直镜二14、干涉仪二15、会聚镜二17和条纹相机二18；干涉仪二15包括分束镜二、合束镜二和两个反射镜二，由分束镜二分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜二反射后再由合束镜二合束出射；其中一个反射镜二的反射光路上设置有平行平晶标准具二16；平行平晶标准具二16与平行平晶标准具一10的厚度不同。

测量分支三包括沿光路传播方向依次设置的准直镜三21、干涉仪三22、会聚镜三25和条纹相机三26。参见图6，干涉仪三22包括分束镜三221、合束镜三222和两个反射镜三223，由分束镜三221分束产生的反射光和透射光分别经两个反射镜三223反射后再由合束镜三222合束出射；其中一个反射镜三的反射光路上设置有平行平晶标准具三23，另一个反射镜三的反射光路上设置有平行平晶标准具四24。平行平晶标准具三和平行平晶标准具四的厚度差根据测量需求控制在一个极小量值，条纹相机得到的是两束多普勒频移差极小的光束产生的差拍信号，差拍频率由差分标准具的厚度差决定；当差分标准具的厚度差足够小时，差拍信号频率就低于条纹相机响应频率，不会出现因条纹相机无法响应而丢失条纹的问题。

采用本发明三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统进行冲击波速度测量的方法，主要包括以下步骤：