基于机器视觉方法的诊断设备自动瞄准技术

激光惯性约束聚变实验需要使用数十台套诊断设备从不同方位对瞬态微尺度物理过程进行诊断表征。大部分诊断设备通常需要进入巨型靶室真空环境内,在厘米到米级的不同工作距离上,对聚变靶上面毫米到数十微米的靶标进行瞄准,大部分诊断设备的瞄准精度需要达到50μm水平。双目瞄准方法是在真空环境下实现远距离高精度瞄准的一种重要方法,但目前主要依赖人工判读图像识别靶标和手动操作诊断搭载平台运动实现对靶瞄准,特别是靶室内照明条件或诊断设备瞄准视线存在夹角等条件会严重影响靶标识别效果,对诊断设备瞄准精度造成较大影响。发展了一种基于机器视觉的诊断自动瞄准方法,采用Mask R-CNN算法并以大量模拟瞄准图进行靶标识别训练,有效解决了靶标自动判读问题,对靶标识别误差控制在8个像素点以内;同时基于实验室瞄准测试平台开展了靶标像素偏差与瞄准坐标偏离关系的离线标定,开展了算法引导下的瞄准精度测试,根据测试结果预估指向瞄准精度优于30μm、径向瞄准精度优于50μm,对实现诊断设备的高精度自动瞄准有一定的基础参考价值。

神光Ⅲ原型装置的全孔径背向散射诊断技术

为了更好地研究神光Ⅲ原型实验中激光与等离子体相互作用产生的散射光,研制了新的全孔径背向散射诊断系统。该系统根据布里渊散射与拉曼散射的性质区别,使用二向色镜对散射光进行分光提纯,采用真空滤波器、挡光板、高反滤波片以及改变倍频晶体角度等进行消杂光处理,进而减少杂散光对测量结果的影响。同时,该系统采用特制的全口径大光斑激光器模拟打靶散射光对光路透过率进行标定。实验结果表明:新的全孔径背向散射诊断系统工作状态稳定,明显减少了杂散光的影响,所测数据更加真实可靠。

神光Ⅲ原型装置的黑腔靶背向散射光测量技术

在惯性约束聚变研究中,为研究激光等离子体互作用产生的受激布里渊与受激拉曼散射光(SRS),基于神光Ⅲ原型装置利用新的背向散射诊断系统对真空黑腔靶与充气黑腔靶以及有无束匀滑效果情况下的散射光光谱进行了测量。实验发现,在相同条件下,充气黑腔靶SRS散射光比真空黑腔靶大,在终端光学组件中使用束匀滑效果后也能降低散射光。诊断系统记录的散射光强度及光谱的时间变化过程对研究激光等离子体相互作用提供了重要的数据支撑。

新型高时间分辨的光扫描模块偏转特性

随着惯性约束聚变研究的深入发展,对高精密诊断设备的要求越来越高,基于半导体材料的光致折射率变化这一特性,对新型高时间分辨的全光扫描技术进行了深入研究。重点介绍了影响光扫描模块偏转特性的两大关键技术,即光扫描模块的设计以及泵浦光与信号光时间同步。通过分解实验开展验证性研究,结果表明:通过前期设计制作的光扫描模块可较好地应用于实验中,在一定范围内,泵浦光功率密度越大信号光的偏转也就越大。同时,时间同步对信号光的偏转程度影响也较大,即高时间同步关系也决定了光扫描装置的时间分辨率。

全光扫描装置设计及实验研究

针对惯性约束聚变研究中高时间分辨测量的需求,详细分析并设计了一种新型的高时间分辨的全光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理,采用全光学元件,实现了全光器件的类条纹相机扫描功能。设计制作了具有棱镜结构和光偏转功能的全光扫描模块。以1053nm激光为传输光,527nm激光为泵浦光,完成了脉宽为8ps的脉冲激光信号作用下的光偏转实验。从技术上验证了全光扫描技术的可行性。

神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统

近背向散射光诊断系统的建立对于精密测量近背向散射光能量份额具有重要意义,它为惯性约束聚变物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑。介绍了神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统,包括其主要功能、技术要求、光学设计与机械设计要点。该诊断系统以离轴椭球镜及靶室外的光学传递组为核心元件,具有灵活可靠的支撑和调节结构。在原型装置上使用该系统进行了打靶试验考核,结果表明该系统能进行稳定测量,数据结果符合预期。

基于神光Ⅲ原型装置的冲击点火分解实验

冲击点火是一种新型点火方式,介绍了国内进行的冲击点火分解实验。实验结果表明:相比于方波脉冲,在冲击峰整形脉冲作用下激光与等离子体相互作用明显增强,背向散射光的份额增加,散射光谱来自于不同密度的等离子体区域。实验中也观察到了方波条件下冲击波在CH样品中的传播过程,与模拟计算结果较为符合。

高时间分辨的聚变反应峰值时刻测量

聚变反应峰值时刻是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的具有高时间分辨的聚变反应历程测量系统对聚变反应时间过程进行了测量,通过引入时标光获得了对应不同碳氢(CH)烧蚀层厚度的聚变反应峰值时刻数据,测量结果表明:在当前的实验条件下,聚变反应峰值时刻落后入射激光0.7～1.0ns,增加烧蚀层厚度或氘氚(DT)燃料气压均会导致聚变反应峰值时刻与入射激光间的相对延时增加。

神光Ⅲ原型装置背向散射光诊断系统的标定

背向散射光诊断系统是惯性约束聚变实验中的重要诊断装置。概述了神光Ⅲ原型激光装置背反系统的基本结构和工作原理,详细介绍了一种全口径光斑透过率和光谱响应标定方法。该方法以高功率激光光源和氙灯光源作为标定源,利用特殊的标定光路形成大光斑覆盖背反系统光学元件的全部口径,模拟散射光在全孔径背反系统上的分布,分别对系统的透过率和光谱响应进行了标定。标定结果表明,全孔径背向散射系统受激拉曼散射支路能对波长大于400nm的光进行传递,在527nm处的透过率较低。

基于神光Ⅲ原型装置的主动式冲击波测试技术

主动式冲击波双灵敏度精密诊断技术是惯性约束聚变物理实验精密化的关键技术之一，其主要功能是精密诊断惯性约束聚变中多个整形脉冲产生的冲击波加载、追赶的速度历程。对基于神光Ⅲ原型的成像型速度干涉仪技术进行了较全面的介绍。主要包括具有快速自校准能力的高分辨成像技术，束靶耦合物理对象分析与靶型设计技术，高置信度图像提取处理技术等关键技术。该系统空间分辨达到5μm、时间分辨10～30ps、测速不确定度小于2％，可对透明介质材料中的多次冲击过程进行连续测量。

成像型任意反射面速度干涉仪的散斑抑制

成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式,所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的干扰,严重影响动态条纹的质量。介绍了该系统的激光散斑形成原因和散斑对速度分析的影响,提出了一种频谱面滤波的方式去除高频散斑噪声的方法,并通过搭建散斑光路、合理设置滤波孔位置和大小,对该方法进行了验证。结果表明,该方法对影响条纹图的高频散斑噪声具有抑制作用,适合应用于成像型VISAR系统。

L波段磁控管的锁相模拟研究

为了对L波段磁控管进行锁相合成研究,首先需了解单个磁控管锁相过程,本文采用注入锁相的方式,在磁控管中加入一激励信号,以达到锁相目的。对磁控管的锁相条件进行了讨论及数值分析,利用粒子模拟软件Magic_3D对锁相过程进行模拟分析。仿真结果表明,L波段磁控管与注入信号的频率差为0.3MHz,注入电场幅值比为0.248时能够达到锁相状态,并且锁相功率为19.2KW,效率为70%。

基于神光Ⅲ原型的双轴速度干涉仪

在激光惯性约束聚变研究中不对黑腔和靶丸做额外处理的条件下,靶丸的早期驱动对称性一直缺少直观的观测手段.介绍了基于神光III原型装置发展的双轴任意反射面速度干涉仪技术及相应的实验结果.通过在靶丸内部安装小反射镜的方式,获得靶丸赤道及极区的冲击波速度历程.根据材料的反射率及其受X射线的影响程度,确定Al为现阶段反射镜的合适材料.对汇聚几何效应下的数据判读问题进行了分析,发现靶装配精度对该技术的影响很大.通过实验完成了双轴VISAR诊断技术的探索,可为进一步发展双轴速度干涉仪和多轴速度干涉仪的工作提供参考.

成像型速度干涉仪散斑成因的研究

在冲击波过程中,利用成像型速度干涉仪探测样品自由面的速度时,散斑的叠加使得干涉曲线被严重干扰,影响了速度信息的精密提取。在理论上从光路的角度分析了系统中可能造成散斑的两种因素:靶面粗糙度和多模光纤。在实验上设计了三种照明方式分别对这两种因素进行验证。离线实验的结果表明,多模光纤的引入对散斑的产生起了主要的作用,这对抑制乃至遏制散斑的产生具有很好的指导性意义。

近背向散射能量空间分布的时间分辨测量技术

基于神光Ⅲ原型激光装置上建成的近背向散射诊断系统,设计了一种可探测近背向散射能量空间分布的时间过程的采集方法,并通过静态实验对该方法的可行性进行了验证。结果表明:通过一维转二维传像束,将二维图像记录成一维信息,然后通过数据后处理还原成二维图像信息的方法可以实现能量空间分布的时间分辨测量。将该方法用于近背向散射光诊断系统,可以得到近背向散射光能量空间分布随时间变化的信息,为深入分析激光等离子体相互作用实验中近背向散射光构成及变化过程提供重要数据。

A Full Aperture Backscattering Light Diagnostic System Installed on the Shenguang-III Prototype Laser Facility

A full aperture backscattering light diagnostic system （FABLDS） implemented on the Shen Guang-Ⅲ Prototype Laser Facility is described in the paper. FABLDS measures both stimulated brillouin scattering （SBS） and stimulated Raman scattering （SRS） with a series of optical detectors. Energy sensors record the integrated energy, and streak cameras coupled with spectrometers measure the temporal spectrum of the backscattering light. This paper provides an overview of the FABLDS and detailed descriptions of the optical path. Special components, including off-axis parabolic mirror, spatial filter and optical light filters, are incorporated along the beam path for purifying the scattering light. Several hohlraum targets were employed, including C5H12 gas-filled targets and empty targets in the experiments. Results presented in the paper indicate that the fraction of backscatter light has been obviously shrinked when the laser is smoothed by continuous phase plates （CPP）.

一种新型高时间分辨的光扫描装置设计

在惯性约束聚变(ICF)研究中,为了更好地对点火前分解实验的精密时间过程进行高精度的测量,提出一种新型的高时间分辨的光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理,采用全光学元件避免了空间电荷效应的影响。同时,瞄准1ps的时间分辨能力,对该装置的关键部件光扫描模块进行了计算设计与模拟分析,通过光路仿真进行验证。结果表明该扫描装置能够使信号光发生偏转效应得到时间-空间转换,进而为下一步的模块制作和实验研究提供良好的理论依据。

基于神光III主机的背向散射光诊断技术

开发了神光III主机装置上的背向散射诊断技术。采用非球面金属镜配空间滤波器的方式将倍频晶体返回的杂散光滤除,采用矩形小孔将楔形打靶透镜带来的宽光谱色散影响消除,采用大光斑配白光标定的方式获得整个背向散射系统的谱透射率,最终可实现定量化的背向散射光能量诊断。通过适当的光路设计,可实现背向散射受激布里渊散射光(SBS)和受激拉曼散射光(SRS)的光谱和时间过程测量。通过已有的实验数据可知,该技术已经初步具备了这方面的能力。

基于神光Ⅲ原型的背向散射实验技术研究

激光与等离子体相互作用研究是惯性约束聚变(ICF)研究中的重要研究内容.为了定量研究神光Ⅲ原型实验中激光与等离子体互作用产生的散射光能量和光谱,研制了全孔径和近背向散射诊断系统,并介绍了全孔径和近背反测量系统的光路结构.对采用连续相位板技术后引起的激光焦斑变化进行了分析.介绍了采用全孔径和近背向散射诊断系统在神光Ⅲ原型上完成的考核束匀滑实验效果的实验,对比了使用束匀滑前后背向散射系统获得的散射光份额和散射光谱分布.实验发现,在神光Ⅲ原型使用800 J能量8束打靶的条件下,使用束匀滑后背向散射光份额可以降低到5%以下,其散射光谱也更加集中.这些数据为黑腔能量学等研究的进一步发展起到重要的促进作用.

神光Ⅲ原型背向散射光特性研究

为了验证束匀滑的物理效果并获得充气黑腔的辐射源特性，在神光Ⅲ原型装置上利用背向散射测量系统对束匀滑和充气条件下的散射光能量份额及光谱进行了测量。散射光能量测量结果表明：当前实验条件下，束匀滑可有效抑制背向散射光份额，散射光份额由无束匀滑时的25％～35％降为2％～4％，充气黑腔中受激拉曼散射光份额明显增加，由真空腔的2％～4％增大至10％～13％。光谱测量结果表明：束匀滑后等离子体状态更均匀，充气黑腔的受激拉曼散射在激光作用前期就开始显著产生，而在真空黑腔中主要产生于激光作用的后期。