激光聚变冲击波速度测量光学系统设计

闫亚东，韦明智，李 奇，王 维，齐文博，何俊华

（中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安710119）

1 引 言

在惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）研究中，任意反射表面速度干涉仪（Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR）［1-2］和扫描光学高温计（Streaked Optical Pyrometer，SOP）［3］是聚变靶场两个非常重要的诊断设备。VISAR是一种主动式聚变冲击波速度测量系统，它基于运动物体表面对探针光的多普勒频移效应进行测速。SOP是一种被动式冲击加热温度测量系统，它通过测量冲击波在台阶靶后表面卸载时的冲击加热发光信号，利用台阶靶的发光时间差计算冲击波速度，再利用冲击波速度和温度的定标关系求解冲击加热温度［4］。

在国外，VISAR经过几十年的发展，已经被广泛应用于物质高压状态方程［5］、材料特性［6-8］、冲击特性瑞利-泰勒和脉冲整形［9］等实验中，成为最重要的波剖面测试设备之一。美国Omega装置将VISAR和SOP集成在一起，发展了一种主、被一体的冲击波速度测量系统［10］，共用光路为卡塞格林集光系统，SOP的工作谱段为400～700 nm，但卡塞格林光路存在中心拦光问题。美国NIF装置也发展了一种主、被一体的测速系统，共用光路为全石英的透射式光路，受单一石英材料引入大量色散的影响，SOP的工作谱段仅为545～645 nm，但SOP的空间分辨率仅为150 μm［11-12］；后来他们对SOP系统做了改进，分辨率提升到12.5μm，但工作谱段没有展宽，为560～640 nm［13］。

本文基于激光聚变装置设计了一种主、被动一体化的冲击波速度测量系统，采用多种耐辐射光学材料消色差设计，系统的工作谱段展宽至400～700 nm。采用自动化干涉仪设计，极大降低了系统运行、维护的复杂度。道威棱镜转像机构和放大倍率切换功能，使系统能够满足不同实验条件的需求。

2 光学系统设计

2.1 光路原理结构

主被动一体化冲击波速度测量系统的光路结构如图1所示。按功能光路划分为4个支路：公共支路、主动照明支路（A→B）、双灵敏度VISAR主动式测速支路（B→C，B→D）和被动式测速支路（B→E）。其中，系统靶点至M1之间的公共光路位于真空中，其余光路位于大气环境中，二者通过DIM真空窗实现分隔。

图1 主被动式冲击波速度测量系统的光路结构Fig.1 Optical schematic diagram of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

2.2 光学设计

光学系统设计的输入主要有：主动照明探针的光波长为532 nm，主动式光路采用双灵敏度VISAR结构，放大倍率为10×，20×，30×可选；被动式系统的工作谱段为400～700 nm，放大倍率为10×；视场为2 mm；搭载平台（DIM）真空窗距离靶点4 m。

光学系统设计的核心问题之一是耐辐照设计，因为普通光学材料在该环境下被辐照而暗化，寿命很短。由于可获得的耐辐照光学玻璃种类有限，光学设计消色差异常困难，如NIF装置的VISAR一次像面580 nm与640 nm之间的轴向色差高达43.18 cm（17 inch）。本系统采用了专门研制的耐辐照光学玻璃。

与之前的VISAR系统［2］相比，本光学系统在光路中设置了道威棱镜，根据道威棱镜的光学特性，在像面探测器不变的情况下，道威棱镜绕自身光轴旋转α角时，探测器得到的物面旋转2α角。由于系统条纹相机狭缝获得的是靶面上某一条直线的像，如果实验需要改变待测线的方向，通过旋转道威棱镜即可。

为了在VISAR双支路中实现不同的放大倍率，本系统设计了不同焦距的L10，L11。由于不同焦距镜头的后截距设计不同，为了在更换镜头时不影响其他光路，针对3种焦距镜头设计了不同的折叠光路，但它们具有相同的光束输入接口和相同的像面位置。

系统总体的光路设计结果如图2所示。L1至M1位于真空环境中，后继光路位于光学平台上，光学平台光路又分为上下两层，VISAR和SOP最终像面都位于上层；如图2（b）所示，探针激光通过光纤输出，经过L3，COM1等光学元件照明靶点；由靶点返回的信号光依次经过L1，L2等器件到达BS3，BS3将信号分为两个支路，分别进入两个干涉仪；由靶点返回的SOP信号光依次经过L1，L2等器件到达BS2，信号光被BS2反射，再经过M17，L12等器件进入SOP记录条纹相机。

图2 干涉仪和高温计耦合系统光路Fig.2 Optical path of coupling system of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

2.2.1 共用光路消色差设计

共用光路位于真空环境中，它既是主动照明探针光的光学通道，又是VISAR多普勒频移光收集、SOP信号光收集的光学通道。该光路设计的核心问题是耐辐照和消色差设计，由于采用了专门研制的耐辐照光学玻璃，共用光路实现了很好的消色差设计。共用光路的设计结果如图3所示，它由L1，L2两组透镜组成，二者之间为平行光，便于光束的长距离传输。

图3 共用光路结构Fig.3 Layout of common path optical system

共用光路视场为φ2 mm，工作谱段为400～700 nm，系统像质评价如图4所示。由图可见，像点的几何弥散斑小于艾利斑，系统在400～700 nm谱段内具有接近衍射极限的成像能力，像方传递函数在20 lp/mm处达到0.7。

2.2.2 照明光路设计

照明光路是将光纤端面发出的光束通过共用光路投到靶点，照明目标面。由于光纤的数值孔径和共用光路的数值孔径不匹配，本系统采用匹配镜头L3实现二者的孔径匹配。由于采用的光纤是大芯径特殊光纤，光纤端面的光强分布比较均匀。靶点照明区域的照度分布如图5所示，可见照明光路具有比较均匀的目标照明效果。

2.2.3 VISAR干涉光路设计

VISAR干涉光路是主动式干涉测速的核心。针对VISAR条纹丢失的问题，干涉光路采用具有不同速度灵敏度的双支路结构，二者联立有利于确立丢失条纹数量。系统采用等比分束镜将共用光路的光束一分为二，分别进入两个干涉仪。

在两个干涉支路中，干涉仪是核心的精密部件。在使用过程中，受自身稳定性和外界环境影响，干涉状态可能产生漂移，因此实验前必须进行状态确认，这大幅增加了系统操作的复杂性。本文设计了电动调节干涉仪，其结构如图6所示。干涉仪其中一臂的M9和BS4为二维电动可调元件，另一臂（BS5和M10）为基准臂。通过光路中干涉图像采集相机可以检查干涉仪的状态，并通过远程控制进行干涉仪的状态复位，大幅提升了系统的可操作性。

另外，本系统在M13，M15之间，以及M14，M16之间分别设计了道威棱镜。因系统最终像面处的条纹相机狭缝对应于物面上的一条直线，当道威棱镜绕其光轴旋转ω角时，物面上的待测直线旋转了2ω角。可见，通过道威棱镜的旋转可以方便地选取靶面上待测直线的方向。

最后，本系统设计了3种不同焦距的L10和L11，使得双灵敏度VISAR系统具有3种不同的放大倍率。由于设计的3种焦距镜头的后截距不同，采用折叠反射镜对光路进行折叠（见图2），使得3种焦距镜头具有相同的光束输入和像面位置。折叠反射镜和对应的镜头固化在一起，形成一个模块。倍率切换时，采取模块替换的方式，方便快捷。

图4 共用光路像质评价Fig.4 Evaluation of image quality of common path optical system

图5 目标面的相对照度分布Fig.5 Relative illumination of target surface

图6 马赫-曾德尔干涉仪结构Fig.6 Structure of Mach-Zehnder interferometer

干涉支路与共用光路构成一个完整的多普勒频移光差频干涉光路，采用10×放大镜头，其光学像质评价如图7所示。其几何弥散斑小于衍射艾里斑，达到了衍射极限的成像质量，在10 lp/mm处MTF达到0.68。图7（c）为对1号鉴别率板的成像结果，靶面上线宽为4.72μm的一组条纹清晰可辨。7（d）为条纹相机狭缝处的静态干涉条纹，条纹调制度为0.69。其他两种放大倍率下系统也具有同等的成像质量。

图7 10×放大光学系统在532 nm处的像质评价Fig.7 Evaluation of image quality of VISAR optical system with magnification of 10×

2.2.4 SOP光路设计

SOP光路设计主要以共用光路为基础，开展条纹相机匹配及信号滤波设计，其光路结构如图8所示。从靶点发出的SOP信号光，依次经过L1，L2等器件到达分光镜BS2，BS2透射532 nm信号，将400～700 nm内的其余谱段信号反射到上层光路；将SOP信号分离出来并反射到上层光路；经上层的M17反射后，由滤片组F滤除VISAR信号光及打靶倍频光的干扰，经L12放大成像到条纹相机狭缝处；系统的放大倍率为15×。系统的像质评价如图9所示，其中图9（c）为对1号鉴别率板的成像结果。由图可见，系统达到了衍射极限的分辨能力，像面传递函数在6.67 lp/mm处达到0.79，物面宽度为4.72μm的条纹成像清晰。

图8 扫描光学高温计的光路结构Fig.8 Optical path of streaked optical pyrometer

图9 扫描光学高温计的像质评价Fig.9 Evaluation of image quality for streaked optical pyrometer

2.2.5 光学性能指标对比

本文设计的主被动冲击波速度测量系统与美国NIF装置主被动冲击波速度测量系统的主要性能如表1所示。由于NIF装置的环境辐射更强，其更注重提升VISAR和SOP共光路的耐辐照能力，共光路没有消色差，为SOP带来了大量色差，限制了SOP的工作谱段宽度和物方分辨力；本系统基于国内应用环境的辐射情况，对共光路进行了消色差设计，因此，SOP系统的工作 谱段更宽、物方分辨力更好。

表1 本冲击波速度测量系统性能与NIF冲击波速度测量系统的主要性能对比Tab.1 Performance comparison between proposed shock wave velocity measurement system and NIF

2.2.6 系统总体结构

系统的总体结构如图10所示，该系统可分为公共光路模块和光学平台模块两部分。公共光路模块工作在真空中，是探针光照明靶点、VISAR信号光收集、SOP信号光收集的公共通道；光学平台模块分上下两层，下层主要有探针光发射、信号光分束、双支路VISAR的差频干涉等单元；上层主要是VISAR、SOP信号与条纹相机耦合单元。目前，该设备在激光聚变装置上运行稳定，并取得了大量的关键实验数据［14］。

图10 主被动式冲击波速度测量系统的总体结构Fig.10 Layout of velocity interferometer system for any reflector and streaked optical pyrometer

3 结 论

本文采用共用光路将VISAR和SOP集成为一体，一次实验可以获取两种数据［10］。通过采用多种耐辐射玻璃，SOP实现了宽光谱消色差、高分辨成像。VISAR系统通过在光路中设置道威棱镜，可任意改变物面待测直线的方向，测试灵活度大；不同放大倍率切换的功能，使系统对各种实验条件具有更高的适应能力。主被动系统均达到了物方4.72μm的分辨能力，干涉系统的干涉条纹平直，调制度高。此外，还设计了电动干涉仪，大幅提升了系统的可操作性。该设备目前运行稳定，能够满足激光聚变冲击波速度测量的需求。