摘 要: 介绍了神光-Ⅱ装置配套线成像速度干涉仪光路排布、用于任意反射面的速度干涉仪系统中干涉仪结构的选择及干涉仪的调节。该仪器可以用于测量自由面速度、界面速度和透明材料中冲击波波阵面速度。该仪器的最小时间分辨力可达约20 ps,空间分辨力高于10μm。并在神光-Ⅱ装置上进行了动态打靶实验,实验用靶为Al-CH靶,获得了较好的实验图像,测得了CH中冲击波的平均传播速度为24.67 km/s。
材料的高压状态方程在材料科学、地球物理、凝聚态物理、等离子体物理及惯性约束聚变(ICF)等领域都有广泛的应用。利用高功率激光驱动的冲击波是获得TPa高压下状态方程参数的主要实验手段。用于任意反射面的速度干涉仪(VISAR)[1-3],是冲击波传播相关的各种物理实验的主要诊断仪器[4-8]。国内从事VISAR技术研究的单位主要有中物院流体物理研究所,其记录系统采用的是光电倍增管和示波器[9]。该系统只能进行单点测量或多点测量,空间分辨能力较差。浙江大学也有人进行过VISAR测试技术的研究[10]。中国原子能科学院也建立了一套OVISAR[11]。本文介绍了神光-Ⅱ装置配套线成像速度干涉仪的研制及初次应用。该仪器的时间分辨力可达约20 ps,空间分辨力高于10μm。并在神光-Ⅱ装置上进行了动态打靶实验,测得了CH中冲击波波阵面的传播速度。
1 实验排布
实验光路排布如图1所示。探针激光通过一块半透半反镜引入诊断光路,探针激光通过扩束系统和成像镜L1后在靶面辐照区域的尺寸约2 mm(驱动激光在靶面辐照区域的尺寸约1 mm)。探针光用的是脉冲式激光,波长为660 nm。采用脉冲激光主要是利用它的高功率(约60 kW),因为靶面一般都是漫反射面,反射回来的激光强度会比入射激光强度小几个量级,普通的连续激光器功率太低,从靶面反射回来的激光强度太低,条纹相机记录不到信号。选择660 nm波长的激光做探针光,主要是因为该波长远离实验中的打靶激光的波长(1ω:1.053μm,2ω:0.53μm),更有利于将探针激光和打靶激光进行分离,提高实验图像的信噪比。L1是收集透镜,用于收集和准直靶背面反射回来的探针激光。L2和L3是一对共焦透镜组,用于像传递。成像镜L4将靶面成像到干涉仪的一块分束镜(BS2)上,这一节成像系统的放大倍数约10。成像镜L5将一次像面放大约1.2倍后成像到条纹相机的狭缝上。整个系统的放大倍数约12,这一放大倍数是和诊断设备的接收面积(条纹相机)相匹配的。我们将大部分的光学件(干涉仪部分)和激光器都放置在一个高度稳定抗震的光学平台上,这样能大大提高整个系统的稳定性,增加干涉条纹的稳定性。
2 干涉仪介绍
综合考虑了物理需求、光路调节的难易情况、光学元件的成本等因素,确定了干涉仪的结构如图2所示。图中平行光管用来辅助监测干涉仪中两反射镜M1,M2和两半透半反镜BS1,BS2的平行。接着,通过控制高精度步进电机移动末端反射镜(M1),可以精确地将M1移动到指定位置(该电机的移动距离为50 mm,精度为1μm),实现干涉仪的两臂等光程,获得白光干涉条纹。只要调节出白光干涉条纹,就表明干涉仪两臂是等光程的,其误差小于10μm。然后加入标准具(一块双面平行的玻璃),应该选用热稳定性好、硬度大、膨胀系数小、化学稳定性好的材料来制作。最后通过步进电机移动末端反射镜M1,移动距离为d=h(1-1/n)(其中h是标准具的厚度,n是标准具的折射率),使得表观光路不发生变化,但却引入了一个光程差[12],其大小为
式中:c是光在真空中的传播速度。对应的条纹常数
其单位为km·s-1·fringe-1,即每变化一个条纹对应于靶面速度变化了(λ/2τ) km·s-1。条纹方向应该和条纹相机狭缝方向垂直,条纹宽度应该根据靶的大小和空间分辨力的要求确定。通过调节BS2的角度可以改变条纹宽度和条纹方向。
3 实验结果分析
在神光-Ⅱ装置上进行了打靶实验,打靶的2ω激光能量为1 557 J,脉冲宽度为2.24 ns。干涉仪上用的标准具长度为10.016 mm,其折射率为1.514 2,考虑CH折射率(1.51)的影响后,最后的条纹常数为3.729 (km·s-1·fringe-1)。靶构形如图3所示,其中Al基底厚度约为30μm,CH台阶厚度35.28μm。典型的实验结果如图4所示,图4中上面部分的干涉条纹是Al反射回来的激光形成的,下面部分干涉条纹是在CH中传播的冲击波波阵面反射回来的激光形成的,条纹的移动代表冲击波速度的大小。CH中冲击波传播的速度可以用两种方法计算得出:一是通过冲击波在CH中的渡越时间及CH的厚度计算冲击波的平均速度;二是通过干涉条纹移动计算冲击波的速度。计算得到的冲击波在CH中传播的平均速度D= lCH/t=35.28μm/1.43 ns= 24.671 km/s ,其中,lCH是CH的厚度,t是冲击波在CH中的渡越时间。第二种方法计算得到的是冲击波在CH中传播的瞬时速度,其结果如图5所示。两种方法的计算结果是自洽的。
4 结 论
根据神光-Ⅱ靶场实际情况研制了与其相配套的速度干涉仪,该仪器可以测量多个物理量,如透明材料中的冲击波速度、材料自由面速度等。并且具有很高的时间(20 ps)、空间(10μm)分辨能力。在神光-Ⅱ装置上进行了初次打靶实验,获得了较好的实验图像,数据处理结果自洽,证明干涉仪测量结果的正确性,为激光状态方程实验提供了一种新的高精度的诊断设备。
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本文作者：舒 桦, 傅思祖, 黄秀光, 贾 果, 董佳钦, 叶君建, 顾 援
