[发明专利]激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法与装置

摘要

本发明公开的激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法与装置，属于共焦显微成像、光谱探测及激光惯性约束核聚变技术领域。本发明将激光共焦技术与拉曼光谱探测技术结合，利用激光共焦技术对激光聚变靶丸的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼光谱探测技术对靶丸壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得靶丸的内/外表面三维形态参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变靶丸形态性能参数综合测量。本发明可为激光惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段。本发明在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。

主权项

1.激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法，其特征在于：利用激光共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼光谱探测技术对聚变靶丸(13)壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得聚变靶丸(13)的内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现聚变靶丸(13)形态性能参数综合测量，包括以下步骤：步骤一、光源系统(1)经过准直透镜(2)准直为平行光束，平行光束被分光镜(3)反射后再次被二向色分光镜(21)反射形成反射照明光束，反射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明，照明光被聚变靶丸(13)反射并激发产生拉曼光谱，携带聚变靶丸(13)信息的拉曼光谱和反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束中拉曼光谱透过二向色分光镜(21)，经过光谱会聚镜(22)会聚后被光谱探测系统(23)接收；测量光束中反射光被二向色分光镜(21)反射，透过分光镜A(3)后进入共焦探测系统(6)，在共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚透过位于会聚镜(7)焦点处的针孔(9)，并被位于针孔(9)后的光电探测器(10)接收；步骤二、使计算机(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，同时计算机(16)采集光电探测器(10)接收到的光强信号进行如下公式的归一化处理即可得到共焦曲线(17)，通过差动共焦曲线(17)的依次对聚变靶丸(13)的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸(13)的内、外表面以及球心位置重合时，I_C(x,y,z)的值为最大，监测I_C(x,y,z)的强度，依次记录I_C(x,y,z)的区域最大位置的z坐标Z_o,Z_i和Z_c，即得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Z_o,Z_i和Z_c；其中I(x,y,z)为光电探测器(10)接收到的光强信号，MAX[I(x,y,z)]为I(x,y,z)的最大值，I_C(x,y,z)为归一化共焦信号，通过归一化共焦信号得到的共焦曲线(17)有效抑制聚变靶丸(13)表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸(13)进行准确的定焦；步骤三、当测量物镜(5)的焦点位于聚变靶丸(13)内、外表面或者两者之间的壳层内部时，使计算机(16)采集记录光谱探测系统(23)对探测到的拉曼光谱λ_R；步骤四、将聚变靶丸(13)的壳层材料折射率n和外表面曲率半径R_o带入如下公式，计算得到聚变靶丸(13)的壳层光轴方向的厚度t；其中NA为测量物镜(5)的数值孔径；步骤五、利用聚变靶丸(13)的内、外表面以及球心的光学坐标Z_o,Z_i和Z_c和厚度t可以计算得到聚变靶丸(13)的内、外表面物理坐标z_i和z_o：步骤六、利用回转驱动系统(15)驱动聚变靶丸(13)进行水平回转一周，在聚变靶丸(13)水平圆周上的各个点位置重复步骤一致步骤五，依次获得聚变靶丸(13)水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(z_o,z_i)_i和拉曼光谱λ_Ri；步骤七、利用正交回转系统(14)驱动聚变靶丸(13)进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤一致步骤六，依次获得聚变靶丸(13)的内外表面三维物理坐标点集合{[(z_o,z_i)_i]_j}和拉曼光谱(λ_Ri)_j；步骤八、计算机(16)对三维物理坐标点集合{[(z_o,z_i)_i]_j}和拉曼光谱(λ_Ri)_j进行三维重构和解包裹计算即得内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现核聚变靶丸形态性能参数的综合测量。