摘 要: 介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10μm,测速范围为10~50 km·s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s-1。
惯性约束聚变(ICF)实验的研究表明,为了用最小的能量实现燃料的高压缩,需要对打靶激光进行脉冲整形,从而降低冲击压缩时的增熵,使压缩过程接近等熵过程。脉冲整形需要根据冲击波速度、冲击波会聚时间等参数来进行表征。目前,国内用于冲击波诊断的设备主要是扫描光学高温计[1],但它无法对常用的透明聚变材料进行冲击波测量。任意反射面速度干涉仪(VISAR)可以通过测量冲击波阵面来实现对透明材料的冲击波速度测量[2-3]。国内从事VISAR系统研究的主要是中国工程物理研究院流体物理研究所,其VISAR系统采用光电倍增管配示波器进行记录,时间分辨大于100 ps,可进行多点测量,无空间分辨能力,主要用于测量自由面速度剖面或粒子速度剖面[4]。路建新等人建立了一套光学记录速度干涉仪系统(ORVIS),该系统为单灵敏度结构,用条纹相机记录,时间分辨力大于150 ps,有空间分辨能力[5]。R.M.Malone等人在传统VISAR中引入成像系统后得到了成像型VISAR[6-7],并使用条纹相机记录干涉条纹,使得整套系统具有优于20 ps时间分辨力和4μm的空间分辨力,并且具有双灵敏度结构,能够诊断高速冲击波信号,该系统现已成为国外用于冲击波诊断的主要设备。本文介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型VISAR系统结构和实验结果,阐述了系统采取的一些特殊手段,分析了此VISAR系统的时空分辨能力,通过打靶试验获得了透明材料中冲击波阵面反射探针激光形成的干涉条纹,据此计算得到了冲击波的速度。
1 成像型VISAR系统的结构分析
1.1 总体结构
用于神光Ⅲ原型装置的成像型VISAR系统在靶场的安装布局如图1所示(其中,TCC为目标靶面,M为反射镜,L为透镜,BS为分束镜,COM为补偿平板镜,IP为像面)。成像系统由保护玻璃、两组成像透镜和密封玻璃组成,其整体放置在真空靶室内,调节机构则安装在靶室法兰上。中继系统包括有若干分束镜、反射镜、准直透镜和中继透镜等,干涉系统包括两套干涉仪。记录系统包括两台条纹相机和CCD。这3个系统作为整体安装在靶室外的光学平台上,用光纤将放置在另一块小光学平台上的激光器连接到中继系统中形成探针光路。受神光Ⅲ原型靶场空间限制,记录系统置于光学平台的上层,中继、干涉系统置于平台的下层。VISAR系统安装调试结束后,在光学平台上安放一个大型遮光罩,避免背景光对整个光路的干扰。
1.2 系统对接及调节方式
受神光Ⅲ原型靶场的实验条件限制,安装VISAR成像系统的诊断法兰为公共诊断窗口。在VISAR系统不使用的情况下,成像系统须从靶室撤下,而光学平台也要移离原来位置。因此,每次使用VISAR系统进行实验时,须重新对光路进行对接和调试。
首先要使成像系统的光轴与靶点重合。系统设计有波纹管和两层套筒式结构,可分别用轴向调节手柄驱动波纹管形变进行轴向微调,用摆动调节手轮改变套筒式两层筒的相对位置进行径向微调实现。其次则要实现光路对接。由于成像系统位置固定,而光学平台整体移动调整不便,为使两部分光路能顺利对接,中继系统采用了一个注入反射镜组M1,M2,两反射镜口径远大于光斑直径,安装在2维调整镜架上,通过调节反射镜组能方便地实现光路对接。干涉仪前的反射镜组M3,M4和记录条纹相机前设置的转折光路反射镜组M5,M6也应采用类似的结构,如图2所示。使用3个反射镜组配合干涉仪前后光轴方向上1维可调的准直及中继透镜,能较方便地实现实验前的对接调试。
2 系统关键点分析
2.1 探针激光
成像型VISAR的记录系统是条纹相机搭配CCD。为使探针光能量在采集高速信号时满足条纹相机光电响应要求,探针激光器峰值功率应大于5 kW。由于除基模以外的高阶横模分裂为各种波瓣输出,不利于干涉,且会扩展输出频带,因此要求激光器严格输出单纵模。为满足实验的记录时间要求,激光脉冲宽度应大于10ns。由于VISAR速度分辨本领受激光器线宽限制,根据激光器线宽与理论上可分辨的最小速度间的关系可知,探针激光波长为532 nm、线宽为500 MHz时,可分辨的最小速度为135 m·s-1,故为保证测量精度,VISAR系统使用的激光器输出为单纵模,带宽小于500 MHz,并有较好的光强稳定度。
为将探针激光信号传递到靶点并能保证靶点处的散射光有一定的光强度,有研究者采用了用带孔反射镜长距离传光方式[5],这种方式激光能量损失不超过3%。也有采用偏振光通过波片和偏振分束棱镜的方式[8],利用多个波片和偏振分束棱镜的合理组合,将线偏振度极好的探针激光有效地传递到靶点,并利用分束棱镜将收集到的散射光绝大多数传递到干涉系统中,避免了普通分束镜75%的能量损失和带孔反射镜影响像质的问题。神光Ⅲ原型装置是一个综合性的物理过程诊断装置,探针激光器由于体积限制不能安装在VISAR系统的光学平台附近。靶场设备繁多,为保证工作稳定,也不允许使用反射镜进行长距离传输光束,故文献[5,8]所述的传光方式不适合神光Ⅲ原型装置的VISAR系统。
本文报道的VISAR系统采用了光纤和普通分束镜传递探针激光和收集散射光的方式,如图2所示。多模熔石英光纤芯径1 mm,数值孔径0.15,长度6 m,532 nm光耦合效率大于20%。设置在离靶室较远位置的激光器与光纤耦合后输出激光,通过光纤镜导入探针光路,依次经过分束镜透射和注入反射镜组反射进入成像系统,将光纤端面1∶1成像到靶点上并保证探针光照明的均匀性。同时,靶点散射光经成像系统成像到一次像面IP1和IP4(图1),保证了散射光的有效利用。虽然探针激光进入成像系统前在分束镜处约损失了50%的光能,但系统使用的探针激光器具有外触发和突发的工作特点,它利用打靶激光提供的一个触发信号进行输出触发(触发时间晃动小于100 ps),在调试和等待期间激光器不会输出激光,只有在打靶时刻并接收到触发信号后才会突发输出一个激光脉冲,这种工作特点,保证了激光能量足够强(大于2 mJ)且被有效利用。此外,激光器能严格输出单纵模激光,不存在其它模式的干扰,保证了探针激光的稳定可靠,易于形成清晰的干涉条纹。因此本VISAR系统采用的激光器输出模式完全符合要求,既能满足记录系统对光强度的要求,也能形成稳定清晰的干涉条纹。而常用的VISAR探针激光器采用的是准连续工作模式[5],激光器在实验阶段一直保持着激光输出,而且不能实现100%单纵模输出。
2.2 干涉系统
本文的成像型VISAR系统使用的干涉仪是马赫-曾德干涉仪,结构如图3所示。由于在冲击波作用下材料的镜面会变成漫反射面,镜面材料在静态时的反射性能与动态打靶时的反射性能差别很大,会导致信号超出条纹相机的测量范围,因此须将靶表面打磨成颗粒均匀的漫反射面,但是漫反射面颗粒大小、形状有差别,不同颗粒的反射光不易达到空间相干要求。若使干涉仪像零程差干涉仪一样完全对称,使不同散射点各自发出的光波自相叠加,来自漫反射表面的两束光就可以产生很好的干涉条纹。
鉴于白光相干长度极短,干涉仪零程差状态由调节白光干涉条纹获得[9]。在静态状态下调节获得零程差位置后,为防止实验过程中零程差状态被破坏,系统利用了三点支撑式结构,支撑点采用V型槽与支撑柱球头接触方式。将3个V型槽T型排布,组成一线一点结构。当光学平台有变形时,干涉仪底板可以自由伸展,零程差状态不会改变。
为避免在实验过程中由于冲击波速度过大而出现条纹丢失的现象,干涉系统采取双灵敏度结构[3]。具体方法是使用两个干涉仪,并在两个干涉仪中采用两个不同厚度的标准具,使两个厚度间不是整数倍的关系,即能推算出丢失条纹数目,从而得到准确的冲击波速度。
2.3 时间同步关系
为保证条纹相机能准确触发并记录干涉条纹,必须以打靶时刻为时间参考点,利用打靶激光信号对探针激光器和条纹相机两者进行触发,保证三者之间的同步性。探针激光器固有延迟约为110 ns,探针激光经由光纤输出并进入系统光路,其光程约为6 m,激光脉冲宽度大于10 ns,靶场须为探针激光器提供一路提前于打靶激光信号约160 ns的触发信号。而靶点反射的探针光到达条纹相机狭缝所走的光程约为6 m,条纹相机的固有延时约为40 ns,靶场须为条纹相机提供两路提前打靶激光信号约22 ns的触发信号。
3 性能分析及实验结果
3.1 时空分辨力及测速范围分析
成像型VISAR的时间分辨力受干涉仪两条支路的相对延迟时间和条纹相机的时间分辨力限制。进行ICF实验的冲击波速度诊断时,两套干涉仪通常采用厚度为3 mm和4 mm的标准具,标准具采用石英材料,折射率为1.458 47,通过标准具延迟时间计算公式τ=2d[(n-1)/n]/c(d为标准具厚度;n为标准具折射率;c为光速)[4],可知延迟时间约为15 ps和21 ps,条纹相机的时间分辨力小于15 ps,故成像型VISAR的时间分辨好于30 ps。利用鉴别率板对系统的极限空间分辨本领进行测量,将鉴别率板放置在TCC处,在挡住干涉仪的一条支路后利用CCD记录的鉴别率板像如图4所示。在第12组仍可以分辨出明暗条纹,其条纹宽度为2·65μm。可见,VISAR系统的实测分辨力为5.3μm。考虑到环境和安装等因素的影响,实际的物方空间分辨力优于10μm。
系统备用的标准具还有其它几种,其厚度分别为7,10和18 mm,标准具延迟时间分别为36,52和93 ps。根据VISAR的速度灵敏度计算公式Fv=λ/2τ(λ为波长)[10],可知系统的速度灵敏度(即一根条纹代表的速度变化量)从低到高依次为:17·2,12.9,7.4,5.2和2.9 km·s-1。在进行双灵敏度实验时,根据干涉条纹的判读精度,条纹相机狭缝分别记录了2~3根(灵敏度低)和6~8根(灵敏度高)的条纹移动量[3],因此本系统的测速范围为10 ~50 km/s。
3.2 实验结果
在神光Ⅲ原型装置上,利用8束三倍频激光(波长351 nm)进行打靶实验,对透明石英材料中的冲击波进行了测量。每束激光能量约400 J,脉宽为1 ns。实验中采用的靶构型如图5所示,其中Al基底层厚度为30μm,石英材料作透明窗口,用一个厚度小于2μm的胶层粘在Al层较薄的台阶上,并在窗口背面镀1μm厚度的Al膜,屏蔽胶层对反射率的影响。冲击波作用形成的干涉条纹如图6所示。图6中,早期条纹是由Al基底射探针激光形成,晚期条纹由进入到石英中的冲击波阵面反射探针激光形成。冲击波从Al基底卸载后,Al基底被化成为等离子体,反射率急剧下降,非石英窗口位置的条纹消失。条在不同空间位置的消失存在着时间先后,说明了冲击波在Al基底中传播速度是不均匀的,基底中心部分的冲击波速度较快,而边缘较慢。图6中可观察到冲击波在石英窗口中的渡越过程,依据条纹的变化可推知冲击波在石英材料中的传播是一个减速过程。
图7表示空间某一点对应的冲击波速度曲线,两种灵敏度的结果在同一坐标下表示,曲线重合时的速度表示冲击波的真实速度。处理结果中有两个位置的速度曲线是重合的,但其中一组表示的速度小于5 km·s-1,不符合实际情况,故被排除。另外一组表示正确的冲击波速度,其大小为36.5 km·s-1。
4 结 论
本文介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型VISAR系统结构和实验结果,阐述了综合考虑神光Ⅲ原型装置的实验要求和条件限制后采取的一些特殊手段,包括:对探针激光采取了光纤传光和成像照明的方式,对干涉系统采取了三点式支撑和双灵敏度结构,对时间同步关系加以控制以保证探针激光器和条纹相机的准确触发。对系统的时空分辨力和测速能力进行测试分析,结果表明,该VISAR系统具有良好的时间分辨和空间分辨能力,能测量高速冲击波信号,基本上达到了国外相关技术的水平。通过打靶实验,记录到了冲击波在透明材料中作用形成的干涉条纹。通过对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波速度为36.5 km·s-1,这表明该系统可以用于测量透明聚变材料中的冲击波速度。
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本文作者：徐 涛, 王 峰, 彭晓世, 刘慎业
