神光-Ⅲ激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中,时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺,而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源.通过对物理需求的分析,提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元,采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形,经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出,从而降低了系统造价,便于集中控制.采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术,实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出.研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号,为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准.产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd:YAG棒状放大器后,通过温控LBO晶体倍频,然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统,为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光.系统已用于VISAR诊断物理实验,获得了完整的冲击加载、减速的图像,从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10μm,测速范围为10～50 km.s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km.s-1。

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。

广角任意反射面速度干涉仪的光学性质研究

研究了广角任意反射面速度干涉仪(VISAR)的光学性质。阐述了广角VISAR的原理,指出广角诊断靶中椭球镜的作用是将靶丸内表面成虚像在靶丸中心附近。使用Zemax模拟了成像弯曲对动态干涉条纹形成的影响,提出使用异形光纤面板进行像面矫正。研究了工程误差对干涉仪成像的影响,若要取得良好的成像效果,椭球镜的位置偏差不得多于30μm,倾角不得超过4°,长轴方向加工误差需小于0.1μm,短轴方向误差需小于4μm,镜面反射率应高于70%。讨论了广角VISAR光学研究的进一步发展方向如影响动态条纹的更多可能因素、像面矫正的其他方法、物与像面的光学对应等。

广角任意反射面速度干涉仪虚像性质

通过分析虚像连续性和位置分辨,指出点集散判据相比相位差判据更适合用于广角任意反射面速度干涉仪(VISAR)靶虚像模型构建。基于点集散判据计算了椭球镜形状参数、像面记录方式、冲击波面倾斜对广角VISAR靶虚像的影响,发现虚像外内径之比总保持在8左右,且10^(-5)(k-400)<m<10^(-5)k(k与m为广角VISAR靶形状参数)时,椭球镜加工误差对像面影响较小;对像面进行平面检测难以得到动态干涉条纹;广角VISAR诊断区域允许波面平均倾斜不超过2°。讨论了广角VISAR靶虚像相干性、异形光纤面板的加工、椭球镜参数的选取、物像重构等问题,对诊断实验提出了参考建议。虚像性质研究为广角VISAR诊断能力提升奠定了基础,对惯性约束聚变内爆对称性诊断具有重要意义。

广角任意反射面速度干涉仪条纹内爆对称性分析

提出在条纹相机前加载异形光纤面板或环转线光纤传像束实现广角任意反射面速度干涉仪(VISAR)条纹采样的诊断设计,发现采样位置坐标处于靶面某圆上。综合运用坐标变换、傅里叶变换、勒让德展开等方法提取广角VISAR条纹相位实现内爆对称性分析,并通过示例验证了其可行性。针对诊断方法的特点、光路设计、装置研发、数据处理等展开讨论,指出广角VISAR诊断内爆对称性的发展方向。运用该方法记录并分析广角VISAR条纹数据,可使靶丸内爆对称性诊断准确、直观、形象,能为惯性约束聚变中激光等离子体不稳定性、流体不稳定性等研究提供支撑。

可测量任意反射面运动速度的全光纤激光位移干涉测试技术

冲击加载下的自由面速度或加窗界面粒子速度剖面测量是研究材料物态方程、本构关系、表面微质量喷射特性、材料动态损伤与破坏以及相变等问题的基本手段。目前采用的主要诊断工具是“可测量任意反射面的速度干涉仪”（VISAR，Velocity interferometer system for any reflector）。但传统VISAR体积大、成本昂贵、调试复杂，并且在测量高速（上千米每秒）时经常出现条纹丢失现象，因此这些不足限制了它在一些试验中的应用。

小尺度靶丸冲击波调控的冲击波测量技术优化及应用

激光聚变研究中,冲击波调控技术是实现靶丸压缩过程的熵增调谐,保证高性能内爆的关键实验技术.本文在十万焦耳激光装置上首次实现了0.375 mm半径小尺度内爆靶丸下双台阶辐射驱动的高精度冲击波调控实验测量.针对小靶丸下任意反射面速度干涉仪(VISAR)诊断有效反射区域不足的问题,通过建立的球形反射面VISAR图像光强的理论计算方法,提出了利用锁孔(keyhole)锥反射效应提升VISAR诊断空间区域的实验技术路线,使得小靶丸尺度下有效VISAR数据区域提升了近3倍.在实验中首次获得了整形内爆实验条件下低温液氘靶的冲击波测量实验数据,实现了高精度冲击波调控实验测量.实验发现,小时空尺度内爆设计条件下,由于反射冲击波的作用,激光参数的较小偏差都会对冲击波追赶后的传输行为产生显著影响,揭示了我国当前小靶丸尺度下高性能整形内爆物理过程中冲击波传输的多因素敏感性,以及冲击波调控实验对于内爆设计验证的重要性.本文提出的小靶丸冲击波调控实验技术,不仅为我国十万焦耳激光装置上整形脉冲下熵增调谐实验的开展提供了技术基础,也对基于球汇聚压缩的超高压物理研究具有重要意义.

激光速度干涉仪在大板实验中的应用研究

在大板实验中,为了测量不同位置飞片的运动历史,提出了测量任意反射面的速度干涉仪（VISAR）斜入射测试方法。实验时,VISAR初始测试位置X分别为0,10,20,40和80 mm,对应的测试角度β分别为0°、4.5°、7.5°、10°和11.5°。试验结果表明：各测点均获得了完整的飞片运动速度时间曲线,有效测试时间达到8~12μs。建立的VISAR斜入射测试技术是可行的。

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.

利用成像型任意反射面速度干涉仪测量石英中的冲击波速度

在神光Ⅲ原型激光装置上,利用自行研制的成像型任意反射面速度干涉仪(I-VISAR)对石英中冲击波速度进行了测量,获得了清晰的实验信号。实验结果表明,在8路能量为400 J、波长为351 nm的激光注入腔靶时,经过60μm的Al后,石英中的冲击波速度为36.47 km/s。

分幅面成像任意反射面速度干涉仪诊断激光驱动飞片全场速度

研制了一套分幅面成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于飞片完整性、速度分散性和平面性的诊断。在线成像VISAR基础上,用更小的条纹常数实现更高的速度分辨,同时用光电分幅相机取代扫描相机记录干涉条纹图像,实现多个时刻全场速度的测量。所研制的面成像VISAR具有5μm的空间分辨和15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铜膜或铝膜飞片的速度场,给出了多个时刻的全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,分幅面成像VISAR技术可以为激光驱动飞片平面性的理论研究和数值模拟提供有效实验数据。

同时线成像和分幅面成像任意反射面速度干涉仪测速技术

研制了一套线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于激光驱动飞片速度场时空分辨测量。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹,实现靶面一条线上各点速度历史和多个时刻二维靶面上所有点速度的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有小于10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力,线成像VISAR时间分辨小于50ps,面成像VISAR曝光时间小于5ns。用其测量了激光驱动带约束刀口铝膜飞片的速度场,给出了高时空分辨全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR将是各种飞片产生技术及相应加载手段中全场速度诊断的有力工具。

成像型任意反射面速度干涉仪研制

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备，主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究。基于传统任意反射面速度干涉仪的特点，研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪，该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度。给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点。对系统性能进行了分析及测试，结果表明时间分辨优于30ps，物方空间分辨约为10μm，测速范围为6～45km／s。

成像型任意反射面速度干涉仪系统的光学系统设计

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,能对在透明聚变材料中传播的冲击波进行速度测量。介绍了在已有的神光Ⅲ原型装置的VISAR系统基础上进行改进获得的30倍成像型VISAR系统。详细阐述了其光学系统的构成和部分光学元件参数,综合考虑已有VISAR系统存在的一些问题,对系统光路进行了重新设计,放大倍率适合光学条纹相机的记录长度,设计结果表明空间分辨率优于5μm,照明均匀,结构简洁易于加工安装,较以往系统有所提高。

全光纤VISAR在动高压中的测量技术探索

介绍了全光纤任意反射面速度干涉仪 (F VISAR)的原理 ,并在动高压条件下进行了初步应用。结果表明 ,在Hopkinson杆实验中冲击速度较低 ,全光纤VISAR系统工作性能很好 ;在一级轻气炮实验中冲击速度较高 ,尚存在一些技术问题 ,并对此进行了分析与讨论。

爆轰驱动金属半球飞层自由面速度的测量

钝感炸药爆轰产物驱动金属飞片的研究工作直接同武器设计相联系。为探索研究爆轰产物驱动金属飞片的运动规律及金属材料本构关系对爆轰产物驱动飞片自身飞行的影响，用任意反射面速度干涉仪VISAR（Vclocity Interfcrometer Systcm for Any Rcflector）对不同厚度的铜半球飞层上多个点的速度历程进行了测量，得到了飞层运动的速度-时间曲线，给理论分析提供了实验数据。

基于卡尔曼滤波的双约束CUP-VISAR压缩图像重构算法

针对从基于压缩超快成像(Compressed Ultrafast Photography,CUP)的任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector,VISAR)中获得的压缩图像中重构出冲击波二维条纹图像的问题,提出一种基于卡尔曼滤波的双约束图像重构算法。该算法首先基于条纹图像具有的稀疏性和平滑性,将问题转化为基于小波与全变分双先验约束的优化问题,然后,考虑到实际成像的噪声问题,采用加权卡尔曼滤波对图像已有信息进行预测和调整,最后将卡尔曼滤波引入二步迭代阈值算法的迭代过程中,进而求解该双约束优化问题,实现压缩图像的精确重构。在大噪声仿真实验中,该算法重构图像的峰值信噪比和结构相似度分别提高了4.8 dB和14.81%,显著提高了图像重构质量。在实际实验中,该算法重构出了清晰的冲击波条纹图像,且将冲击波速度最大相对误差降低了9.57%和平均相对误差降低了2.2%,验证了该算法的可行性。

爆轰实验中接触测量与非接触测量的应用对比

以爆轰实验中常用的电探针测试系统和激光干涉测速系统为例,研究接触测量与非接触测量对爆轰实验测试结果的影响。在平面爆轰波驱动金属飞片实验中,利用电探针测试飞片到达固定位置处的时刻,同时利用VISAR测试飞片飞行速度历史,对两者的测试数据进行对比分析,结果表明:光杆探针与卷筒探针的第一台阶测试结果一致,卷筒探针的第二台阶由于飞溅物等原因,比光杆探针提前导通约0.1μs;3个层面的光杆探针测试结果与任意反射表面的速度干涉仪(VISAR)测试结果一致。分析认为,在爆轰实验中,由于被测物体处于高温高压状态,且运动速度很快,接触测量产生的测力也将随之加大,在固定点位置,接触测量将对飞片上此点的后期运动产生明显影响;对于被测飞片的整体运动,由于电探针尺寸重量等远小于飞片,接触测量在固定点造成的影响对整个飞片来讲可以忽略不计,因此得到与非接触测量一致的测试结果。

全光纤VISAR系统中条纹常数的分析

全光纤VISAR系统具有大的测速范围,其测速的动态范围和条纹常数有关。从干涉光路的实现原理出发,推导出速度与条纹常数的关系式,并分析了FVISAR系统不同速度分档下的条纹常数确定。在保证1．5％精度及假设光源相干长度为1 mm的前提下,给出了具体的速度分档情况。