[发明专利]激光差动共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置

摘要

本发明公开的激光差动共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量技术领域。本发明将激光差动共焦技术与三维回转扫描技术结合，利用激光差动共焦技术对激光聚变靶丸壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对靶丸进行正交回转驱动，通过对靶丸内外表面各点的定焦信息进行解算和重构获得靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等参数，实现核聚变靶丸几何参数综合测量。本发明能够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。

主权项

1.激光差动共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，其特征在于：利用激光差动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，利用三维回转扫描技术对聚变靶丸(13)进行正交回转驱动，结合差动共焦层析定焦技术与三维回转扫描技术实现对聚变靶丸(13)几何和轮廓参数测量，所述聚变靶丸(13)几何和轮廓参数包括内、外表面曲率半径、内、外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布，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，平行光束通过经分光镜A(3)被测量物镜(5)会聚为一点，对聚变靶丸(13)进行照明并被反射，反射光束透过测量物镜(5)后被分光镜A(3)反射进入差动共焦探测系统(6)，在差动共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚后被分光镜B(8)分为两束，分别透过位于会聚镜(7)焦点前的针孔A(9)和焦点后的针孔B(11)，并被分别位于针孔A(9)和针孔B(11)后的光电探测器A(10)和光电探测器B(12)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A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，根据如下公式计算得到差动共焦曲线(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(z,u_M)的值为零，监测I(z,u_M)的强度，依次记录I(z,u_M)的过零点位置的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(z,+u_M)和I(z,‑u_M)分别为光电探测器A(10)和光电探测器B(12)接收到的光强信号，I(z,u_M)为归一化差动信号，通过归一化差动信号得到的差动共焦曲线(17)能够有效抑制聚变靶丸(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、对定焦测量得到的聚变靶丸(13)的外表面和球心位置坐标Z_o和Z_c进行相减即得到聚变靶丸(13)的外表面曲率半径R_o；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计算得到聚变靶丸(13)的内、外表面物理坐标z_o,z_i和内表面曲率半径R_i：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；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}；步骤八、计算机(16)对三维物理坐标点集合{[(z_o,z_i)_i]_j}进行三维重构和计算即得到聚变靶丸(13)的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。