[发明专利]一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统及方法

权利要求书

1.一种ICF靶丸表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，搭建ICF靶丸表征系统；所述的ICF靶丸表征系统包括干涉检测光路和背光投影检测光路；

所述干涉检测光路的光源包括第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)；干涉检测光路中，第一激光器(1)发出的激光依次经过第一准直镜(4)、第四反射镜(11)、第一二向色镜(13)和第二二向色镜(14)，第二激光器(2)发出的激光依次经过第二准直镜(5)、第一二向色镜(13)和第二二向色镜(14)，第三激光器(3)发出的激光依次经过第三准直镜(6)和第二二向色镜(14)，三个激光器发出的激光在经过第二二向色镜(14)后实现共路；共路的光经过第一偏振分束镜(15)后分为两束，透射的一束经过非偏振分束镜(7)后反射，通过待测靶丸(12)，并射入第二偏振分束镜(16)；反射的一束经过第三反射镜(10)反射后，同样射入第二偏振分束镜(16)，两路光经过第二偏振分束镜(16)合束后，经过成像镜(19)被第二反射镜(9)反射并穿过线偏振片(20)后，成像到CCD图像传感器(21)上；所述背光投影检测光路的光源为LED(18)，背光投影检测光路中，LED(18)发出的准直光束经过非偏振分束镜(7)后分为两束：一束出射到系统之外；一束穿过待测靶丸(12)后，再依次穿过第二偏振分束镜(16)和成像镜(19)，被第二反射镜(9)反射并穿过线偏振片(20)，在CCD图像传感器(21)上成像；所述的CCD图像传感器(21)与电脑(22)连接，用于获取干涉检测光路产生的干涉图和背光投影检测光路产生的背光投影图；

在搭建ICF靶丸表征系统时，需要对干涉检测光路的光源进行调整，具体过程如下：

步骤(1-1)，将系统中的CCD图像传感器(21)先用于辅助光源调节，非偏振分束镜(7)的透光方向后方安装导轨和CCD图像传感器，使CCD图像传感器可以在导轨上前后移动；将第一激光器(1)、第二激光器(2)、第三激光器(3)、第一准直镜(4)、第二准直镜(5)、第三准直镜(6)、第四反射镜(11)、第一二向色镜(13)、第二二向色镜(14)、第一偏振分束镜(15)、非偏振分束镜(7)安装完成后，开始进行三波长光源共路的微调；

步骤(1-2)，依次对三个光源进行调节，首先打开第三激光器(3)，调节CCD图像传感器的高度和横向位置，使得第三激光器(3)的激光光斑位于CCD图像传感器接收面中心；沿导轨前后移动该CCD图像传感器，若光斑从中心移到了其他位置，则调整第三准直镜(6)的角度；继续沿导轨前后移动CCD图像传感器，直到光斑在接收面上的位置稳定不变；

步骤(1-3)，打开第二激光器(2)，沿导轨前后移动CCD图像传感器，调节第二准直镜(5)的角度，以及第一二向色镜(13)、第二二向色镜(14)的角度，并且在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到第二激光器(2)的光斑与第三激光器(3)的光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移动，说明两路激光光束已经平行且重合；

步骤(1-4)，打开第一激光器(1)，调节第一准直器(4)以及第四反射镜(11)的角度，在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感器，直到此激光器光斑与另外两路光斑重合，且不随CCD的移动而移动，说明三路激光光束已经平行且重合，从而完成三路光源共路的初步调整；

步骤(1-5)，完成ICF靶丸表征系统所有部分的搭建后，开始三路光源共路的细调整；在靶丸插入前依次打开各激光光源，并且调节第三反射镜，使得CCD图像传感器所接收到的干涉条纹最为稀疏，尽量均匀一片；

若是三个光源所对应的干涉图并未同时均匀一片，或者三个干涉图中的干涉条纹方向不一致、疏密程度与波长不符，则说明三路光源依然没有完全共路；对前述步骤(1-1)～步骤(1-5)调整过程中涉及到的器件继续进行小心的精细调整，直至达到三光源所对应干涉图同时均匀一片或干涉条纹一致且疏密满足波长关系，此时完成了三路光源共路的细调整；

步骤(2)，在开始干涉检测和背光投影测试之前，利用送靶装置将靶丸插入系统，并且准确地定位在物像共轭位置；

步骤(3)，当靶丸定位完成后，分别打开LED(18)、第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三激光器(3)，采集背光投影图和三个波长的干涉图；

步骤(4)，根据两个光路结构所采集到背光投影图和干涉图，通过求解以下公式，从而求得靶丸的折射率与厚度：

式中，前三式描述了通过靶丸的光的光程差信息，x₁，x₂分别为两条光线的入射高度，其所对应的出射光线高度分别为r₁，r₂，而Δx₁，Δx₂分别为光线经过靶丸偏折的高度；OPL表示对应光线经过靶丸的光程，OPD为两条光线的光程差；后两式描述了通过靶丸的光的光线偏折信息，X₂为亮环高度，X为其对应的入射光线的高度，Y₂为出射光线横向偏移距离，X₁为出射光线高度，为出射光线偏折角度；n₂与t₂为靶丸的冰层折射率与厚度；在该式(1)中，未知数为x₁，x₂，X，n₂与t₂，其他参数可从背光投影图与干涉图测得，或可根据光线追迹推导表示；

步骤(5)，计算出三个波长对应的折射率后，代入柯西色散公式：

n＝A-B/λ²+C/λ⁴ (2)

式中，λ为波长，n为此波长对应折射率，A，B，C为常数系数；

根据三个波长的折射率列出三个方程，从而求解出柯西色散公式中三个系数A，B，C的值，于是得到了靶丸内冰层折射率随波长变化的关系，即冰层的色散特性；

步骤(6)，根据靶丸内冰层的色散特性，求解得到550nm下的冰层折射率；在550nm波长下，其折射率与密度的关系为：

n＝1+A′ρ (3)

式中，对于不同的同位素、不同物态以及不同的气体密度，A′是不相同的，而是有一个范围变化：A′＝3.15±0.12；对于固态的冰层，A′是一个与分子量有关的函数，即：

A′＝[3.195-0.015(M-2)]×10^-6m³/mol (4)

其中，M是被测材料的分子量，计算获得靶丸内冰层的折射率后，进一步获得冰层的密度信息。