[发明专利]双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置

摘要

本发明公开的双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置，属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及干涉测量技术领域。本发明将激光双边错位差动共焦技术与短相干干涉测量技术结合，利用双边错位差动共焦技术对激光聚变靶丸的内、外表面进行精密层析定焦，利用短相干干涉技术对靶丸外表面进行干涉测量，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的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布等参数，实现聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量。本发明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，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.双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法，其特征在于：利用双边错位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获得内、外表面的几何轮廓参数和壳层厚度分布，利用短相干干涉技术对聚变靶丸(13)进行干涉测量获得外表面形貌参数，进而实现核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数的综合测量，所述核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数包括核聚变靶丸(13)的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，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，平行光束被第一分光镜(3)透射后被第二分光镜(21)分为透射照明光束和反射照明光束，透射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明并被反射；携带聚变靶丸(13)信息的反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束被第二分光镜(21)分为透射测量光束和反射测量光束，透射测量光束由第一分光镜(3)反射后经会聚镜(6)进入横向相减共焦探测系统(7)；反射照明光束进入干涉臂(24)被反射后再次被第二分光镜(21)透射，与反射测量光束形成共路干涉，干涉光束经过成像会聚镜(22)会聚后被干涉CCD(23)接收；步骤二、测量控制系统(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，使测量光束的焦点与聚变靶丸(13)的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸(13)的外表面，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测的归一化大虚拟针孔共焦特性曲线(18)I_B(z)，和小虚拟针孔探测域(12)探测到的归一化小虚拟针孔共焦特性曲线(19)I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(20)I(z)＝I_S(z)‑γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；步骤三、将锐化共焦特性曲线(20)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(28)，并使锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)I_D(z)＝I(z)‑I(z,‑u_S)，利用差动共焦线性拟合直线(29)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(29)S/2位置得到回移差动共焦拟合直线(31)，并利用回移差动共焦拟合直线(31)的移位拟合直线零点(32)来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸(13)外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸(13)外表面顶点位置Z_o；步骤四、测量控制系统(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，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸(13)的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤三，依次得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内表面顶点和球心位置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；步骤五、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；步骤六、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；步骤七、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_i和z_o：步骤八、当测量物镜(5)的会聚光束聚焦到聚变靶丸(13)的球心位置Z_c附近时，使测量控制系统(16)驱动干涉臂(24)轴向运动产生光束相位变化，通过干涉CCD(23)获得靶丸外表面的光轴区域的移相干涉图Ψ；步骤九、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二至步骤八，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和移相干涉图Ψ_i；步骤十、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，每驱动一次重复步骤一至步骤九，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}和移相干涉图(Ψ_i)_j；步骤十一、对三维物理坐标点集合{[(z_o,z_i)_i]_j}和移相干涉图(Ψ_i)_j进行三维重构和解包裹计算即得到聚变靶丸的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，实现核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数的综合测量。