摘 要: 介绍了应用于超高压条件下的成像型速度干涉仪技术的光路结构和基本原理,该技术在传统速度干涉仪技术的基础上进行了改进,将收光部分改为成像系统,记录系统使用条纹相机,从而能够诊断高速冲击波信号。给出了全系统的光路图,提出了各分系统的参数要求。针对系统硬件,给出了探针光源、成像系统的基本参数,给出了三点支撑干涉仪的设计图,分析了记录系统的基本参数。对于静态实验,拍摄了静态靶的照片,并对静态靶照片进行了初步的分析:发现可以通过条纹对比度的变化初步判断像与靶的对应程度。
在冲击波诊断领域,任意反射面的速度干涉仪(VISAR)技术已经成为诊断冲击波作用下样品自由面速度剖面或粒子速度剖面的主要技术[1],主要用于材料的高压状态方程研究和冲击波作用下材料物态响应特性研究。针对超高压条件下时空分辨冲击波诊断技术的需求,国外发展了新型VISAR技术。该技术在传统VISAR技术的基础上进行了改进:将收光部分改为成像系统,从而使靶空间信息被完整地记录下来,从而使该系统具有了空间分辨的能力;记录系统使用条纹相机,其时间分辨为ps量级,从而能够诊断高速冲击波信号,现已用于超高压状态方程研究等多个领域[2-4]。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[5],其记录系统采用的是光电倍增管配示波器。该系统无空间分辨,其对VISAR的研究主要向高灵敏度(低条纹常数)和全光纤VISAR方向发展。中物院流体物理研究所还发展了多点VISAR技术[5],使其具有了一定的空间分辨能力。此外,中国原子能科学研究院的路建新等人也建立了一套光学记录速度干涉仪系统(ORVIS)[6]。浙江大学杨甬英教授等人也进行过VISAR技术的研究[7]。
本文将成像型对VISAR系统的整体光路和性能进行介绍和分析,对各个组成模块的基本性能参数进行了比较详细的介绍。同时,也对拍摄得到的静态靶干涉条纹图的照片进行分析,从而为该技术的进一步发展提供参考数据。
1 光路系统介绍
1.1 光路介绍
整个系统的实验装置如图1所示。探针光发出的激光通过多模光纤进入实验系统,光纤输出的激光通过透镜扩束,进入成像系统聚焦后,打到靶上,靶反射的光重新被成像系统收集,并被分光进入两套光路。成像系统前面与靶之间的石英玻璃用来保护成像系统的透镜不被实验产生的碎片损伤。为了减小光路的长度,将成像系统的像面设计在干涉仪之前,从而能够进行下次的像传递。靶点的像在进入干涉仪之前进行扩束,变成平行光,以利于干涉仪系统的调试。每路干涉仪都是按照广角迈克尔逊干涉仪的原理工作的。在两路干涉仪中放入不同厚度的标准具,将组成双灵敏度系统。干涉仪将靶点的反射光分光后重新叠加,经过成像透镜在条纹相机的狭缝上再次成像,同时形成干涉条纹。这里在条纹相机前面的透镜没有采用柱面镜,而是通常的透镜,是为了使条纹相机狭缝上的像和靶点的物成一一对应关系,从而保证测到的条纹信息是靶点上对应点的信息,有利于数据的判读。在系统中使用干涉滤光片的目的是为了减小杂散光的影响,所以干涉滤光片透过率的半宽很重要。
打靶时激光照射进靶腔内,产生的冲击波在靶内部传播。当冲击波到达靶自由面时将卸载,固体靶表面的物质会发生稀疏、炭化,对光的反射将变成漫反射,同时伴随有发光。靶的运动反映为条纹相机狭缝上条纹的移动。通过反演条纹相机上条纹的移动,将获得靶自由面的速度历史曲线。要求获得的干涉条纹图为:强度分布范围应该在条纹相机的动态范围内,条纹间隔合适,条纹数目合适。
图2是成像型VISAR的结构框图,包括探针光源成像系统,干涉系统和记录系统。
1.2 实际系统介绍
使用Zemax软件设计了整个光路系统,排布如图3所示,其中BS1~BS6是分束镜,L1~L11是透镜,M1~M15是反射镜,IP1~IP6是6个像面,COM1和COM2是像差补偿镜,blast window是成像系统前面的保护玻璃,vacuum window是封真空的保护玻璃。系统工作过程为:从光纤发出的探测激光依次经过L11, COM1, BS1, M2, M1, vacuumwindow,L2,L1,blast window到达靶点(TCC)。其中,BS1为1∶1分束镜,探测激光在此处能量损失一半。由靶点反射的光由L1收集并准直,然后依次经过L2,vacuum window,M1,M2,BS1到达BS2,BS2为1∶1分束镜,将光束分为相互垂直的两部分,分别进入支路一和支路二。在支路一中,M3,M4组成一个灵活的调整机构,可以方便地将入射光轴调整到与支路一光轴重合。IP1为一次像面,L3的焦平面与IP1重合,将入射光变为平行光进入由M5,M6,BS3,BS4组成的干涉仪。BS3为1∶1分束镜,倾角4.5°,将光等分为两部分。两束光分别经M5,M6反射后在BS4处汇合,然后进入L4。BS4也是1∶1分束镜,光能量在此处损失一半。L4将从干涉仪出来的干涉光会聚到二次像面IP2。L5,L6为中继透镜,光路在二者之间为平行光,IP3为最终像面,即为条纹相机狭缝。M7,M8为调整机构,以使入射光轴与条纹相机光轴重合。在支路二中,首先要经过一个补偿镜COM2,然后镜M9将垂直摆放的两个支路变为平行放,M10,M11为调整机构,接下来的光路与支路一类似。光学系统要求物方分辨10μm,放大5倍后对应像方分辨50μm,其倒数对应20 lp/mm。
对整个成像系统而言,用光学传递函数和能量集中度来评价成像质量比较合适。图4是5倍系统支路一的调制传递函数(MTF)图。图中diff limit表示成像系统对无穷小物点的调制传递函数,(0,0)坐标分别表示对应物在子午和弧点方向上空间位置某点,子午和弧矢2个方向的调制传递函数。
由图4可以看出，系统传递函数在20lp/mm处达到0.69，即使在物空间达到0.5mm.整个系统的调制传递函数仍然大于0.69。如果将整个光路系统的调制传递函数阈值设定在0.2,则光学系统全物场的分辨率在像空间将达到60 lp/mm,远远超出设定的要求。图5表示能量集中度与像点大小的关系在考察衍射点能量集中度时,依据爱里斑的半径14.67μm来考察。由图5可以看出,艾里斑内集中了大约83%的能量,而且由于是球对称系统,子午和弧矢方向的能量集中度没有差别。可以推知,物方分辨力理论上能够达到5.86μm。图6是拍摄的鉴别力板照片。鉴别力板放在靶点的位置,拍摄位置在条纹相机前面最后一次成像处,用的是4号鉴别力板。可以看到,25组条纹清晰。说明系统的分辨率已经达到了10μm。条纹的调制度超过0.6,由于条件所限,在照片上不能清晰看到。
2 分系统参数分析
2.1 探针光源
为使探针光与记录用的条纹相机同步,要求激光器提供外触发工作方式。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,因此要求激光器输出TEM00模。成像型VISAR对探针光源的单色性和输出时间晃动要求较高,因此探针激光器中利用了单纵模种子自注入技术和晶体电光调Q技术。激光器的振荡器采用脉冲激光二极管泵浦方式,通过二极管泵浦的方式缩短谐振腔腔长,并配以F-P标准具以及电光调Q的关门状态,产生单纵模种子自注入式的振荡腔,输出单纵模的调Q激光,脉宽约20 ns。将振荡器输出的单纵模激光再经过Nd:YAG双程放大后,输出能量为5~10 mJ、波长为1 064 nm的激光。再将1 064 nm波长的激光倍频后,得到能量大于2 mJ、波长为532 nm单纵模绿光。
2.2 成像系统
成像系统主要用于将靶点收集的信号光送入干涉系统,并最终成像于记录面。由于不同的激光装置使用的靶室大小不同,采用了前置透镜组收光,通过调节两透镜间的距离可以实现在不同靶室上的配接,采用前置透镜组收光同时可以在不增大光学元件的尺寸的前提下提高系统的收光效率。为便于成像系统的调节,安装在靶室上的成像组件应采用指向与径向调节分离的方案。为满足实验要求,成像组件还应做气密性设计。考虑到光学元件尺寸越大,加工难度也会随之增加,本系统选择了100 mm口径的前置透镜组。探针激光由数字孔径为0.15、芯径为1 mm的光纤耦合后输出,为与100 mm口径的前置透镜匹配,在光纤后还设计了一组成像透镜。
由于不同角度的回波产生的多普勒频移不同,进入成像系统的光不是只有正向回波,而是1个光锥。在这种情况下,可认为多普勒频移具有一定的带宽。为减小由于带宽引入的测量误差,在激光干涉测速技术中,一般用F数大于4的前置透镜来收集回波信号。此时,透镜边缘可忽略光锥引入的频移差别。但随着F数增大,成像系统的收光效率将下降,综合考虑,本系统的F数定为4.5。
2.3 干涉系统
干涉系统是成像型VISAR的关键部件,对机械结构的稳定性要求很高,因此要求结构采用3点支撑(见图7),支撑点采用V型槽与球面接触,将3个V型槽T型排布,组成一线一点结构。当平台有变形时,干涉仪底板可以自由伸展,从而屏蔽平台的影响。为了避免在干涉仪的两支路中由于光学元件面形精度导致的波像差降低条纹对比度,一般要求干涉仪系统中的反射镜、分束镜和标准具的表面不平整度小于λ/20,可忽略对记录条纹造成的影响。
2.4 记录系统
探针激光器输出为一个高斯脉冲且存在触发晃动,因此对于不同发次,条纹相机记录的信号强度不同。即使同一发次,由于样品表面在不同时刻的反射率不同,信号强度也会发生变化。因此,为使条纹相机能有效获取数据,要求相机的动态范围大于30。对于当前的实验,为获得探测面速度变化的细节过程,并使记录图在相机记录时间范围内,一般要求相机的时间分辨优于20 ps,扫描非线性优于3%,时间记录长度大于3 ns,触发晃动小于50 ps。在成像系统空间分辨满足要求后,成像型VISAR的空间分辨力主要取决于条纹相机的空间分辨力。成像系统放大倍数为10时,为使系统的物方分辨达到10μm,要求条纹相机的空间分辨优于10 lp/mm。记录系统在狭缝上记录的条纹数在8~12之间为宜,可通过调节干涉仪中的反射镜以改变光束夹角来实现。若成像系统放大倍数为5,相机光阴极长度为4 mm时,记录图中每个条纹可以覆盖5~10个可分辨单元,满足实验数据处理要求。
3 静态照片分析
成像型VISAR是用靶的散斑图自己分光而后干涉得到的干涉图。也就是说,从两路光中得到的散斑图上的点必须严格重合,才能得到干涉条纹。如果使用相干理论来解释如何得到对比度尽量好的干涉条纹,可以更清晰的分析出整个系统条纹对比度的影响因素。
按照干涉条纹相干理论的解释,干涉条纹的对比度与光源的相干性,包括空间相干性和时间相干性有关,干涉条纹的宽度和干涉条纹形成光路的会聚角有关。在散斑干涉广角迈克耳逊干涉仪中,光源来自同一个光源,精确调节两束光使其完全重合,可以得到对比度很好的干涉条纹。精确调节光路的夹角,控制两臂的同轴性,使其夹角尽量小就会得到很宽的干涉条纹。
图8是用初步建成的成像型VISAR系统拍摄的静态盘靶的干涉条纹图。可以看到,这是一个散斑干涉图。散斑大小和靶表面的粗糙程度、入射角度以及激光波长都有关系。成像系统都有景深的限制。当靶运动出了成像系统景深范围后,得到的干涉条纹就不是空间某一点的干涉图,而是一个空间区域自由面的速度历史干涉图。可以从散斑图上初步判断靶表面的粗糙程度。当靶运动的时候,将得到一个带时间序列的散斑干涉图。这时的散斑图上的条纹是由靶面上一小块面积散射光分光再重合相干形成的干涉条纹,因而相干程度将下降。也就是说,条纹的对比度将降低。所以,可以通过条纹对比度的变化,初步分析得到的干涉条纹图上点的信息是否是靶点上对应点的信息。
4 结 论
本文介绍了成像型VISAR的基本结构,对各个系统的基本参数进行了介绍。整个系统可以分为探针光源、成像系统、干涉系统和记录系统。探针光源要能够提供波长为532 nm的单横单纵模脉冲激光,激光脉宽为20 ns。成像系统选择了100 mm口径的前置透镜组,探针激光由数值孔径为0.15、芯径为1 mm的光纤耦合后输出进入成像系统,成像系统的F数定为4.5。全系统分辨力达到了10μm。本文详细介绍了干涉仪的设计,给出了3维设计图。针对记录和数据处理系统,要求相机的动态范围大于30,空间分辨优于10 lp/mm,记录系统在狭缝上记录的条纹数在8~12之间为宜。本文给出了以静态盘靶为物通过全系统得到的干涉条纹图,对动态实验可能遇到的问题进行了分析,为动态实验打下了很好的基础。
参考文献:
[1] Barker L M, Hollenbach R E. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface[J].J Appl Phys,1972,43:4669-4675.
[2] Malone R M, Bower J R, Bradley D K, et al. Imaging VISAR diagnostic for the National IgNItion Facility (NIF)[C]//Proc of SPIE. 2005,5580:505-516.
[3] Malone R M, Celeste J R, Celliers P M, et al. Combining a thermal-imaging diagnostic with an existing imaging VISAR diagnostic at theNational Ignition Facility[R]. UCRL-CONF-213575,2005.
[4] Celliers P M, Bradley D K, Collins G W, et al. Line-imaging velocimeter for shock diagnostics at the OMEGA laser facility [J].RevSci In-strum,2004,75(11):4916-4929.
[5] 胡绍楼,激光干涉测速技术[M].北京:国防工业出版社, 2001.(Hu Shaolou. Laser interferometry for measuring velocities. Beijing:Na-tional Defence Industry Press, 2001)
[6] 路建新,王钊,梁晶,等.用光学记录速度干涉仪测量自由面速度[J].强激光与粒子束, 2006,18(5):799-802.(Lu Jianxin, Wang Zhao,Liang Jing, et al. Free-surface velocity measurements using an optically recording interferometer.High Power Laser and Particle Beams,2006,18(5):799-802)
[7] 陈阳杰、杨甬英、卓永模,等.双灵敏度VISAR测量的一种结构计[J].光学仪器, 2006,28(2):71-75.(Chen Yangjie, Yang Yongying,Zhuo Yongmo,et al. A construction of double-sensitivity VISAR.Optical Instruments,2006,28(2):71-75)
本文作者：王 峰, 彭晓世, 刘慎业, 蒋小华, 丁永坤, 闫亚东
