CN108333147B - 近背向散射光学测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种近背向散射光学测量系统，包括取样装置和测量装置，其特征在于：所述取样装置包括球状真空靶室和系统成像镜头，所述球状真空靶室内设置有靶点和散射板；打靶激光入射靶点产生的近背向散射光沿打靶反方向散射后由散射板产生漫反射，漫反射光穿过球状真空靶室上的测量窗口后，再经过系统成像镜头进入测量装置。本发明解决了现有的背向散射诊断技术存在因损伤阈值低而难以满足大规模激光驱动装置近背向散射光测量需求的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种近背向散射光学测量系统。
背景技术
激光核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它在民用和军事上都具有十分重大的研究意义：为人类探索一种取之不尽的清洁核能源；用来研制“干净”(无放射污染)的核武器、发展高能激光武器；部分替代核实验。
因此，激光核聚变受到世界各核大国的高度重视，从20世纪70年代后半叶开始，俄、美、日、法、中、英等国相继开始高功率激光驱动器的研制。美国在此领域的研究处于领先地位，并于2009年正式建成包含192路的超大型激光驱动装置“NIF”；法国正在建设的MLF包含240路激光；日本也在酝酿建造大型激光驱动器，并计划在2015-2020年间完成可应用于发电的基础技术研究。中国也建立了一系列的激光驱动装置(星光系列、神光系列等)，2015年完成建设的国内最大的激光驱动装置“神光－Ⅲ”包含48路激光。
然而，美国NIF在2010年的点火没有成功，这在世界范围引起了较大的震惊。NIF随后的研究发现，原来在较小规模激光驱动器上验证的理论模型在NIF上不再适用，NIF打靶激光的背向散射份额大大超出了原来的预期值，打靶激光能量被大幅消弱，聚变燃料压缩对称性遭到破坏，导致点火失败，由此可见背向散射测量系统在认识一个新的激光驱动装置过程中起到的不可替代的作用。
国内对背向散射的研究起步也较早，背向散射诊断技术的发展大致经历了两个阶段：
第一阶段，采用玻璃球面镜对近背向散射光取样后进行测量，但该方案的物、镜体法向、像三者必须处于一条直线上，这种排布方式过于生硬，没有灵活性；
第二阶段，采用铝质离轴椭球镜对近背向散射光聚焦后进行测量，通过调整离轴量可实现任意光路布局、灵活度极大，且聚焦十分理想，但金属镜面的激光损伤阈值较低(小于1J/cm2)，在更大规模激光驱动装置上应用受限。
发明内容
本发明目的是提供一种近背向散射光学测量系统，解决了现有的背向散射诊断技术存在因损伤阈值低而难以满足大规模激光驱动装置近背向散射光测量需求的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种近背向散射光学测量系统，包括取样装置和测量装置，其特殊之处在于：所述取样装置包括球状真空靶室和系统成像镜头，所述球状真空靶室内设置有靶点和散射板；打靶激光入射靶点产生的近背向散射光沿打靶反方向散射后由散射板产生漫反射，漫反射光穿过球状真空靶室上的测量窗口后，再经过系统成像镜头进入测量装置。
进一步地，上述测量装置包括沿光路传播方向依次设置的光束缩束镜和二向色镜；所述二向色镜将光谱分离后，长波被透射进入长波透射光测量单元，短波被反射进入短波反射光测量单元。
进一步地，上述长波透射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的长波相机取样镜、长波光谱时间取样镜和长波能量测量聚焦镜；所述长波相机取样镜将一部分长波透射光反射后，经长波相机成像镜头成像在长波相机上；所述长波光谱时间取样镜将另一部分长波透射光反射后，经长波光谱时间测量耦合镜耦合至长波光谱时间测量像面上，所述长波光谱时间测量像面上设置有长波时间测量快光电管和长波光谱取样光纤，所述长波光谱取样光纤与光谱仪相连；所述长波能量测量聚焦镜将剩余的长波透射光聚焦于长波能量卡计探头上；
所述短波反射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的短波相机取样镜、短波光谱时间取样镜和短波能量测量聚焦镜；所述短波相机取样镜将一部分短波反射光反射后，经短波相机成像镜头成像在短波相机上；所述短波光谱时间取样镜将另一部分短波反射光反射后，经短波光谱时间测量耦合镜耦合至短波光谱时间测量像面上，所述短波光谱时间测量像面上设置有短波时间测量快光电管和短波光谱取样光纤，所述短波光谱取样光纤与光谱仪相连；所述短波能量测量聚焦镜将剩余的短波反射光聚焦于短波能量卡计探头上。
进一步地，上述长波光谱时间测量像面上设置有长波光吸收陷阱；所述短波光谱时间测量像面上设置有短波光吸收陷阱。
进一步地，上述长波相机成像镜头与长波相机取样镜之间设置有长波相机成像镜头可变光阑；所述短波相机成像镜头与短波相机取样镜之间设置有短波相机成像镜头可变光阑。
较佳地，上述系统成像镜头将散射板成像于一次像面上，所述一次像面上设置有杂散光滤波装置。
进一步地，上述系统成像镜头与球状真空靶室的测量窗口之间设置有测量系统可变总光阑。
进一步地，上述散射板是带有打靶激光通道的异形散射板。
进一步地，上述异形散射板为椭球面漫反射白板，所述靶点位于椭球面漫反射白板的一个焦点上，所述测量系统可变总光阑的中心位于椭球面漫反射白板的另一个焦点上。
进一步地，上述长波相机和短波相机均为门控ICCD相机。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在打靶射线与靶点之间设置散射板，并利用散射板漫反射近背向散射光，用于后续的散射能量测量、散射光谱测量和散射时间测量。散射板具有损伤阈值高的优点，能够满足大规模激光驱动装置近背向散射光的测量需求。
(2)本发明在取样光路中设置一次像面，有利于用空间滤波的方法去除其它方向的杂散光。
(3)本发明利用ICCD相机记录散射板上散射光的空间分布，利用ICCD相机的时间快门屏蔽散射时段之外的杂光。
(4)本发明利用ICCD相机上图像的强度推算散射能量，并利用能量计测量能量进行相互核验。
(5)本发明在系统前端设置系统可变总光阑，用于控制总光通量，能够实现连续能量衰减。
(6)本发明在长波测量单元以及短波测量单元的相应光谱时间测量像面上同时放置光谱取样光纤和时间测量快光电管，一个分支实现两种功能，提高了测量效率。
附图说明
图1为本发明取样装置的较佳实施例结构示意图。
图2为本发明测量装置的较佳实施例结构示意图。
图3为本发明测量装置的长波透射光测量单元部分结构示意图。
图4为本发明测量装置的短波反射光测量单元部分结构示意图。
其中，附图标记为：1-球状真空靶室，2-打靶激光，3-靶点，4-近背向散射光，5-散射板，6-漫反射光，7-测量窗口，8-系统成像镜头，9-测量系统可变总光阑，10-杂散光滤波装置，11-光束缩束镜，12-二向色镜，13-长波相机取样镜，14-长波光谱时间取样镜，15-长波能量测量聚焦镜，16-长波能量卡计探头，17-长波相机成像镜头可变光阑，18-长波相机成像镜头，19-长波相机，20-长波光谱时间测量像面，21-长波时间测量快光电管，22-长波光谱取样光纤，23-长波光吸收陷阱，24-长波光谱时间测量耦合镜，25-短波相机取样镜，26-短波光谱时间取样镜，27-短波能量测量聚焦镜，28-短波能量卡计探头，29-短波光谱时间测量耦合镜，30-短波光谱时间测量像面，31-短波光吸收陷阱，32-短波光谱取样光纤，33-短波时间测量快光电管，34-短波相机成像镜头可变光阑，35-短波相机，36-短波相机成像镜头。
具体实施方式
本实施例是一种近背向散射光学测量系统，其结构包括取样装置和测量装置。
参见图1，取样装置包括球状真空靶室1和系统成像镜头8，球状真空靶室1内设置有靶点3和散射板5；打靶激光2入射靶点3产生的近背向散射光4沿打靶反方向散射后由散射板5产生漫反射，漫反射光6穿过球状真空靶室上的测量窗口7后，再经过系统成像镜头8进入测量装置。系统成像镜头8与球状真空靶室1的测量窗口7之间设置有测量系统可变总光阑9，用于控制总通光量。散射板5是带有打靶激光通道的异形散射板。较佳地，本实施例可以将异形散射板设置为椭球面漫反射白板，靶点3位于椭球面漫反射白板的一个焦点上，测量系统可变总光阑9的中心位于椭球面漫反射白板的另一个焦点上。根据椭球面的特性可知，从靶点3至测量系统可变总光阑9的每一根光线都是等光程的，因此可以实现无时间差取样。
参见图2，系统成像镜头8将散射板成像于一次像面上，一次像面上设置有杂散光滤波装置10，用于屏蔽散射板之外的靶室内壁散射的干扰光。
测量装置包括沿光路传播方向依次设置的光束缩束镜11和二向色镜12；光束缩束镜11用于控制光束口径，二向色镜12用于进行光谱分离，长波(波长为400nm-1000nm的光)被透射进入长波透射光测量单元，短波(波长为351nm±5nm的光)被反射进入短波反射光测量单元。
参见图3，长波透射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的长波相机取样镜13、长波光谱时间取样镜14和长波能量测量聚焦镜15；长波相机取样镜13将一部分长波透射光反射后，经长波相机成像镜头18成像在长波相机19上；长波光谱时间取样镜14将另一部分长波透射光反射后，经长波光谱时间测量耦合镜24耦合至长波光谱时间测量像面20上，长波光谱时间测量像面20上设置有长波时间测量快光电管21和长波光谱取样光纤22，长波光谱取样光纤22与光谱仪相连进行光谱测量，长波时间测量快光电管21用于进行时间测量；长波能量测量聚焦镜15将剩余的长波透射光聚焦于长波能量卡计探头16上，用于进行能量测量。
根据相机、光谱测量、能量测量探测器所需的能量比例，利用长波相机取样镜13和长波光谱时间取样镜14进行固定比率分配。因为长波相机13的动态范围相对最小，为了保证相机正常工作，长波相机成像镜头18与长波相机取样镜13之间设置有长波相机成像镜头可变光阑17，对光通量进行进一步的控制。
在长波透射光测量单元中，系统成像镜头8、光束缩束镜11以及长波光谱时间测量耦合镜24三者构成一个成像系统，它将测量系统可变总光阑9成像在长波光谱时间测量像面20上，长波时间测量快光电管21和长波光谱取样光纤22的端面均设置在此像面上，由于像面较大，没有被利用的部分用长波光吸收陷阱23吸收掉，避免形成杂光。
参见图4，短波反射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的短波相机取样镜25、短波光谱时间取样镜26和短波能量测量聚焦镜27；短波相机取样镜25将一部分短波反射光反射后，经短波相机成像镜头36成像在短波相机35上；短波光谱时间取样镜26将另一部分短波反射光反射后，经短波光谱时间测量耦合镜29耦合至短波光谱时间测量像面30上，短波光谱时间测量像面30上设置有短波时间测量快光电管33和短波光谱取样光纤32，短波光谱取样光纤32与光谱仪相连进行光谱测量，短波时间测量快光电管33用于进行时间测量；短波能量测量聚焦镜27将剩余的短波反射光聚焦于短波能量卡计探头28上，用于进行能量测量。
根据相机、光谱测量、能量测量探测器所需的能量比例，利用短波相机取样镜25和短波光谱时间取样镜26进行固定比率分配。因为短波相机35的动态范围相对最小，为了保证相机正常工作，短波相机成像镜头36与短波相机取样镜25之间设置有短波相机成像镜头可变光阑34，对光通量进行进一步的控制。
在短波透射光测量单元中，系统成像镜头8、光束缩束镜11以及短波光谱时间测量耦合镜29三者构成一个成像系统，它将测量系统可变总光阑9成像在短波光谱时间测量像面30上，短波时间测量快光电管33和短波光谱取样光纤32的端面均设置在此像面上，由于像面较大，没有被利用的部分用短波光吸收陷阱31吸收掉，避免形成杂光。
长波相机13和短波相机35均可以采用门控ICCD相机，用于记录散射板上散射光的空间分布，并利用相机的时间快门屏蔽散射时段之外的杂光。
Claims (6)
1.一种近背向散射光学测量系统，包括取样装置和测量装置，其特征在于：所述取样装置包括球状真空靶室和系统成像镜头，所述球状真空靶室内设置有靶点和散射板；打靶激光入射靶点产生的近背向散射光沿打靶反方向散射后由散射板产生漫反射，漫反射光穿过球状真空靶室上的测量窗口，经过系统成像镜头将散射板成像于一次像面上后进入测量装置；所述一次像面上设置有杂散光滤波装置；
所述测量装置包括沿光路传播方向依次设置的光束缩束镜和二向色镜；所述二向色镜将光谱分离后，长波被透射进入长波透射光测量单元，短波被反射进入短波反射光测量单元；
所述长波透射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的长波相机取样镜、长波光谱时间取样镜和长波能量测量聚焦镜；所述长波相机取样镜将一部分长波透射光反射后，经长波相机成像镜头成像在长波相机上；所述长波光谱时间取样镜将另一部分长波透射光反射后，经长波光谱时间测量耦合镜耦合至长波光谱时间测量像面上，所述长波光谱时间测量像面上设置有长波时间测量快光电管和长波光谱取样光纤，所述长波光谱取样光纤与光谱仪相连；所述长波能量测量聚焦镜将剩余的长波透射光聚焦于长波能量卡计探头上；
所述短波反射光测量单元包括沿光路传播方向依次设置的短波相机取样镜、短波光谱时间取样镜和短波能量测量聚焦镜；所述短波相机取样镜将一部分短波反射光反射后，经短波相机成像镜头成像在短波相机上；所述短波光谱时间取样镜将另一部分短波反射光反射后，经短波光谱时间测量耦合镜耦合至短波光谱时间测量像面上，所述短波光谱时间测量像面上设置有短波时间测量快光电管和短波光谱取样光纤，所述短波光谱取样光纤与光谱仪相连；所述短波能量测量聚焦镜将剩余的短波反射光聚焦于短波能量卡计探头上；
所述长波相机和短波相机均为门控ICCD相机，利用ICCD相机的时间快门屏蔽散射时段之外的杂光，利用ICCD相机上图像的强度推算散射能量并利用能量计测量能量进行相互核验。
2.根据权利要求1所述的近背向散射光学测量系统，其特征在于：所述长波光谱时间测量像面上设置有长波光吸收陷阱；所述短波光谱时间测量像面上设置有短波光吸收陷阱。
3.根据权利要求2所述的近背向散射光学测量系统，其特征在于：所述长波相机成像镜头与长波相机取样镜之间设置有长波相机成像镜头可变光阑；所述短波相机成像镜头与短波相机取样镜之间设置有短波相机成像镜头可变光阑。
4.根据权利要求1-3任一所述的近背向散射光学测量系统，其特征在于：所述系统成像镜头与球状真空靶室的测量窗口之间设置有测量系统可变总光阑。
5.根据权利要求4所述的近背向散射光学测量系统，其特征在于：所述散射板是带有打靶激光通道的异形散射板。
6.根据权利要求5所述的近背向散射光学测量系统，其特征在于：所述异形散射板为椭球面漫反射白板，所述靶点位于椭球面漫反射白板的一个焦点上，所述测量系统可变总光阑的中心位于椭球面漫反射白板的另一个焦点上。
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