摘 要:为了诊断测量激光驱动冲击波,研制了具有空间分辨力的成像型速度干涉仪。该干涉仪主要包括输入部分、像传递部分及干涉部分,探测光采用波长为532 nm的单纵模激光。在靶位放置一分线板,经过测量,其空间分辨力小于10μm。基于天光KrF准分子激光系统的参数,设计并自制含有烧蚀层的单台阶金属靶,利用成像型速度干涉仪测量到了金属铝靶内的冲击波速度。
目前状态方程的绝对测量要求通过实验独立地测定冲击波关系式中的冲击波速度和波后粒子速度,然后推算得到材料其余的冲击波参数,给出冲击绝热线,即冲击绝热状态方程。在状态方程实验研究中,一般通过探测冲击波在靶背卸载时的发光信号进行冲击波诊断。然而作为被动测量方法,冲击加热发光不仅容易受到干扰,并且其信号强度极度依赖冲击压强,无法在相对较低的压强条件下应用。任意表面速度干涉仪(VISAR)是一种主动光学测量方法,与被动测量冲击波靶背卸载发光相比,不受驱动冲击波压力强弱的影响,其应用范围可从数十GPa至TPa。经过不断发展,VISAR已经成为一个被普遍接受的冲击波测量诊断设备,在美国国家点火装置NIF、“神光Ⅱ”等国内外许多实验装置上得到应用[1-5]。成像型速度干涉仪(Imaging-VISAR)是具有空间分辨能力的速度干涉仪,靶背表面的各点速度信息通过干涉仪系统,以干涉条纹的形式被扫描相机记录下来,从中可以分析得到自由面速度以及台阶靶内的冲击波传输速度。天光KrF准分子激光以6束叠加的方式在靶内驱动产生冲击波,压强最高可达到100 GPa。在这样的条件下,自由面速度法是开展状态方程绝对测量研究的较为易行的技术途径,因此,研制了用于冲击波诊断的成像型速度干涉仪。本文分别对干涉仪结构和相关的台阶靶冲击波实验进行介绍。
1 测速原理
在自由面速度测量方面,Imaging-VISAR和普通VISAR原理相同,都是利用光在运动表面反射时产生的多普勒频移,引起干涉条纹移动,进行测速。
式中:v(t),v0分别是t时刻速度和初始速度;λ0是探测激光的波长;F(t)是条纹移动数目;τ是干涉仪两臂的光程差;δ是由于光频率变化引起的修正项(探测光波长532 nm,标准具为熔石英时,δ=0.0318[6-7])。
在实验中,由于受窗体材料、探测光入射角及散射角的影响,需要对测速公式进行修正,即
式中:σF是由探测光角度引起的修正项;Δγ/γ0是窗体材料折射率变化引起的修正项。我们研制的干涉仪在实际应用中,散射光收集角度约9°,并且靶背表面不加窗,取σF=0.006[6]。
2 成像速度干涉仪结构
Imaging-VISAR由输入、像传递和干涉仪3个主要部分构成。实验中使用的探测光源为半导体泵浦的固体激光器,输出波长为532 nm的单纵模激光,带宽小于5 MHz。干涉仪对镜片的面型要求较高,同时考虑加工水平及成本因素,系统所使用的镜片均为λ/10的商品镜片。为精确调节干涉仪满足准零程差条件,并且便于对靶位进行监测,所有镜片镀膜均为宽带介质膜。系统中用到的3块分束镜,都有2°楔角,虽然增加了调节难度,但减少了镜片前后表面之间反射光的影响。
2.1 输入部分
输入系统是把探测激光按实验需要的形状尺寸投射到靶背表面,主要由整形柱面透镜C1,C2,分束镜S0和成像透镜L1~L3组成。首先根据实验需求,提出投射至靶背的探测光斑的设计目标参数;再根据散射光收集方式、像传递的技术要求及实验室空间条件确定L1~L3的参数;然后沿光路逆向,依次确定其它光学元件的参数。探测激光源输出的是高斯光束,光斑直径为2.3 mm,经过输入光路,在靶背投射一个长约1 mm、宽约100μm的矩形光斑。
2.2 像传递
像传递使得干涉仪系统具有空间分辨能力,其成像质量直接影响测量精度。根据天光系统靶场的条件,设计的像传递系统由7块透镜L1~L7组成,分为3组,通过三级像传递,将靶背面散射光成放大像至条纹相机。
焦距为150 mm的月牙透镜L1和焦距为300 mm的双胶合透镜L2相隔50 mm放置,组合焦距113 mm,实际通光直径33 mm。L3是焦距1 200 mm的平凸透镜,与L1,L2组成第一级像传递,把靶背1 mm视野范围成放大约10倍的像;焦距为600 mm的双胶合透镜L4和焦距为1 200 mm的平凸透镜L5组成第二级像传递,放大倍数为2,成像至干涉仪输出分束镜IS2的分光膜面;最后,由焦距为600 mm的双胶合透镜L6和焦距为800 mm的平凸透镜L7组成第三级像传递,成像至数据采集系统,即条纹相机。
2.3 干涉部分
干涉仪是核心系统,基本结构采用Mach-Zehnder干涉仪,由反射镜IM1,IM2,分束镜IS1,IS2和标准具E0组成。由IS1对收集的散射光1∶1分束为两路,分别由IM1,IM2反射至IS2,其中一路要透过标准具E0。在分束镜IS2的分光面,形成干涉条纹,此处也正是第二级像传递的像面。IS1,IS2的分光膜要面向相反的方向,这样干涉的两束光都各穿越分束镜一次,消除由分束镜带来的光程差。条纹常数即条纹位移等于1时对应的速度,由标准具E0的厚度确定。根据测速公式(1)可以计算出不同厚度标准具在特定波长条件下的条纹常数。在状态方程实验中,需要根据待测冲击波速度,选定合适厚度的标准具。
2.4 准零程差的调节
干涉仪调节时,必须满足准零程差条件。通常当调节至干涉视场内条纹数少于1时,即认为达到了准零程差条件。然而使用的探测光是单纵模激光,带宽小于5 MHz,很容易出现干涉条纹,造成准零程差调节精度不高。需要利用宽带光源,以提高调节精度[7-8]。调节过程如下:
(1)利用靶位监测系统的内调焦望远镜,调节镜片高度至同一水平面。用毫米尺测量,初步调节干涉仪两臂至等长;
(2)根据设计,靶位的二级像应位于IS2的分光面。依次遮挡干涉仪的两臂,并调节使得分别经由两臂的靶位像呈于IS2的分光面;
(3)使用探测激光,粗调干涉仪两臂满足准零程差条件;
(4)将一束白光引入干涉仪,放一片带宽40 nm、中心波长532 nm的滤波片,精确调节干涉仪至准零程差;
(5)加入标准具,向后微移反射镜IM2,并微转分束镜IS2,得到清晰干涉条纹。
3 参数测量
maging-VISAR的参数会直接影响冲击波实验测量精度。建立前利用ZEMAX光学程序进行模拟计算,测试所设计的系统性能是否达到实验的需求,并不断进行修改和优化参数。在研制完成后通过实际测量,检验干涉仪的性能和使用效果。
3.1 模拟计算
对系统像传递的模拟计算中,选取靶背7个计算参考点,坐标分别为(0, 0),(0, -0.20),(0, 0.20),(0,-0.50),(0, 0.50),(-0.05, 0),(0.05, 0),其中(0, 0)为主光轴穿过的点。坐标单位为mm。
图2(a)是弥散圆半径随靶位的变化。由图所示艾利斑尺寸为40μm,根据实际需求确定像平面允许的弥散圆尺寸,即可推算出靶位的景深。条纹相机的空间分辨约100μm,当设定允许弥散圆尺寸为80μm时,靶位景深约60μm。即在条纹相机看来,靶在60μm范围内移动不会影响图像的清晰度。图2(b)是系统像传递函数曲线,高频端代表细节传递能力,低频段代表轮廓传递能力。由图可知,与衍射极限曲线相比,设计的干涉仪具有较好的像传递能力。
3.2 实测图像
成像型速度干涉仪时间分辨和空间分辨是最主要的性能指标。时间分辨力Δt主要取决于干涉仪两臂的相对延迟时间τ和条纹相机的时间分辨力。由于条纹相机的时间分辨非常小,可以近似认为干涉仪时间分辨即是干涉仪的延迟时间,即由标准具的厚度决定。在下面实验中,选取的标准具为30 mm,因此时间分辨约为155 ps。
成像速度干涉仪对靶背的空间分辨能力,是由系统光学性能决定的。在靶位放置最小刻度为10μm的光学分线板,通过靶位监测系统将分线板刻有标尺的面调节至与靶背表面重合。打开探测激光,照亮分线板。经过干涉仪像传递系统收集、成像及传像,用CCD采集最终位于条纹相机处的像。图3即靶位分线板刻度经过干涉仪后的像,图中可以清晰地分辨出分线板的最小刻度,因此干涉仪靶背空间分辨小于10μm。
4 冲击波速度测量实验
天光装置共有6束KrF激光聚焦提供驱动源,波长248 nm,脉宽27ns,靶位焦斑500μm,功率密度1TW/cm2。在激光驱动单台阶靶实验中,利用Image-VISAR的空间分辨能力,一方面通过测量台阶靶背冲击波卸载的时间差,可计算出冲击波的平均传输速度;另一方面根据干涉条纹的位移,可由测速公式计算得粒子速度[9-10]。图4是单台阶靶实验示意图。实验中,使用不含飞片的单台阶金属铝靶,烧蚀层为100μm聚酰亚胺膜,台阶部分分别为10μm和40μm的铝膜,即台阶高度30μm。同时,采用1维流体力学程序模拟实验情况,计算数值解,与实际测量的数据进行比对。
图5所示靶背台阶两侧表面的压强随时间的变化。由图可知,冲击波传输至台阶两侧,即压强急剧增加的时间分别为26.3 ns和31.3 ns。相应的渡越时间差为5.0 ns,对应的冲击波速度模拟值为6.0 km/s。
图6是实验中获取的干涉条纹图像。图像亮度不均匀,能明显看出分为明暗两部分,这是由于靶背台阶的两部分背表面光洁度有差别,造成对探测激光散射不均匀。中间部分条纹空间上对应台阶靶台阶边沿,其发生移动时间更晚,表明边沿翘曲变形。两部分干涉条纹发生变化的时间相差5.4 ns,所用铝靶台阶高度30μm,冲击波速度约5.6 km/s。实验结果与模拟值有一定误差,主要原因在于实验用台阶靶的工艺精度。单台阶靶是在实验室自制,台阶采用双层金属膜贴合。缺少非接触测厚设备,只能在装配前测量各膜层厚,无法测量装配完成后的靶整体参数。
5 结 论
为研究状态方程绝对测量方法,基于天光准分子激光系统,研制了具有空间分辨的Imaging-VISAR。通过模拟计算及实际测量,整个系统具有较高的参数指标。设计并自制含有烧蚀层的单台阶金属靶,开展了相应的激光驱动冲击波实验。利用成像速度干涉仪,测得30μm铝台阶靶内的冲击波速度。由于目前只开展了少量实验,尚未得到清晰易读并且可以同时计算出两个速度的干涉条纹图像。因此在天光准分子激光装置上,实现具有一定精度的状态方程的绝对测量,需要提高单台阶靶制备能力,进一步优化调试干涉仪等改进措施。
参考文献:
[1] Barker L M, Hollenbach R M. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface[J].Appl Phys, 1972,43:4669.
[2] Barker L M, Schuler K W. Correction to the velocity-per-fringe relationship for the VISAR interferometer[J].Appl Phys, 1974,45:3692.
[3] Malone R M, Bower J R, Bradley D K, et al. Imaging VISAR diagnostic for the National Ignition Facility (NIF)[C]//Proc of SPIE. 2004,5580: 505-516.
[4] Malone R M, Frogget B C, Kaufman M I, et al. Design of an imaging VISAR diagnostic for the National Ignition Facility (NIF)[C]//Procof SPIE. 2003,5173: 26-37.
[5] Malone R M, Celeste J R, Celliers P M, et al. Optical alignment techniques for line-imaging velocity interferometry and line-imaging self-e-mission of targets at the National Ignition Facility (NIF)[C]//Proc of SPIE. 2007:667608.
[6] 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.
[7] 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,LianJing,et a1.Free-surface velocity measurements using an optically recording velocity interferometer.High Power Laser and Particle Beams,2006,18(5): 799-802.
[8] 齐文博,严亚东,陈良益,等. VISAR准零程差调试方法研究[J].应用光学,2009,30(5):751-755.(Qi Wenbo, Yan Yadong, Chen Liangyi, et al. Adjustment method for quasi zero optical path difference of VISAR.Journal of Applied Optics,2009,30(5):751-755.
[9] Aglitskiy Y, Karasik M, Velikovich A L, et al. Stability of a shock-decelerated ablation front[J].Phys Rev Lett, 2009,103:085002.
[10] Hicks D G, Boehly T R, Celliers P M, et al. Laser-driven single shock compression of fluid deuterium from 45 to 220 GPa[J].Phys RevB,2009,79:014112.
本文作者：王 钊, 高 爽, 梁 晶, 田宝贤, 何以广, 陆 泽, 汤秀章
