[发明专利]任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统及匀化方法

说明书

为了解决VISAR探针光照明的均匀性问题，本发明提供了一种任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统，包括光纤输出激光器、准直镜头和缩束镜；准直镜头设置在光纤输出激光器的输出光路上，并且准直镜头的焦面位于光纤输出激光器的光纤端面处；缩束镜包括缩束镜前组和缩束镜后组；缩束镜前组设置在准直镜头的输出光路上；缩束镜后组设置在缩束镜前组的输出光路上，并且缩束镜前组和缩束镜后组的焦面重合，构成开普勒望远镜结构。所述光纤端面的光纤芯径Dsubgt;0/subgt;、准直镜头的焦距fsubgt;1/subgt;、缩束镜前组的焦距fsubgt;2/subgt;和缩束镜后组的焦距fsubgt;3/subgt;满足关系：式中，α为所述光纤端面出射光束的出射半角；fsubgt;2/subgt;fsubgt;1/subgt;5mm。

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，涉及一种任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统及匀化方法。

背景技术

任意反射表面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for AnyReflector，简称VISAR)是一种基于光在运动物体表面反射产生多普勒频移效应进行测速、具有探针光的主动式、高空间分辨的速度干涉仪。在国内外VISAR被广泛用于惯性约束核聚变(ICF)的研究，是最近几十年内发展起来的最重要的波剖面测试设备，可以用于物质高压状态方程实验、材料特性实验、冲击特性瑞利-泰勒实验、脉冲整形实验等。

VISAR的探针光使用的是某种波长的激光，该探针光系统通常由激光器、输出光纤、光束预整形光路、探针形成光路这四部分构成。从光学成像关系角度来说，输出光纤的末端面为“物面”，光束预整形光路和探针形成光路共同构成一个成像镜头，被探照的靶面为“像面”。换言之，光束预整形光路和探针形成光路共同构成的成像镜头将“光纤端面”成像在“靶面”处，“光纤端面”和“靶面”具有物像共轭关系。因而，若要求“靶面”被均匀照明，则要求激光在“光纤端面”必须是均匀分布的。

然而，从国际上来看，VISAR探针光的照明均匀性一直是困扰科研人员的一个关键问题。科研人员尝试了许多种解决方案，但一直未能取得比较理想的效果。

美国在该问题的解决上大致经历了两个阶段：第一阶段，大幅延长光纤长度；第二阶段，使用多根光纤同时照明。但效果均不是十分理想：在第一阶段中，他们将昂贵的芯径为φ1mm的特制光纤的长度增加到30m，以期光线在光纤中充分反射、混合，起到匀化作用。但是，每一根光线在光纤中的反射都是周期性的，因此光束的整体效果也是周期性的，简单地增加光纤长度达不到预期的匀化效果；在第二阶段中(即现在美国NIF装置正在应用的方案)，他们将三根芯径为φ1mm的光纤紧密排成“品”字形，用三根光纤同时照明“靶面”，以期在“靶面”处使三个照明光斑相互交错叠加，改善“靶面”照明不均的状况。此方法具有一定的匀化效果，但由于光纤数太少其改善效果十分有限，况且该方法使得照明光斑分散，导致“靶面”激光能量密度大幅降低，激光能量的利用率大幅下降。

国内在该问题的解决上大致也经历了两个阶段：第一阶段，同样大幅增加光纤长度；第二阶段，光学离焦。其中，光学离焦指的是通过改变光纤端面的轴向位置，打破“光纤端面”和“靶面”的物像共轭关系，这样在“靶面”处就得不到“光纤端面”的清晰像，即得到的是模糊的像，正是通过这种模糊化方式，以期获得匀化效果。但是，若模糊化严重了，的确可以起到一定的匀化效果，但离焦之后照明光斑会大幅增大，致使激光的能量利用率急剧降低。

发明内容

为了解决VISAR探针光照明的均匀性问题，本发明提出了一种任意反射表面速度干涉仪的探针光匀化系统和匀化方法。

本发明通过一套特殊的光学系统对“光纤端面”的出射光束的结构进行重组，并形成一个光斑分布绝对匀化的“虚拟的光纤端面”，以此“虚拟的光纤端面”替代原有的光纤端面，从而使“虚拟的光纤端面”和“靶面”形成物像共轭关系。本发明既可获得绝对的光斑匀化效果，照明面积大小又可控，也能充分利用激光器功率。

本发明的技术方案是：