[发明专利]三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法

说明书

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法。该测量系统包括成像单元、分束镜单元和测量单元，所述测量单元包括测量分支一、测量分支二和测量分支三。本发明解决了现有的测量方法依赖理论估计而无法对冲击波速度进行准确求解的技术问题。本发明利用不丢失干涉条纹的第三灵敏度VISAR判读条纹移动的总量，结合传统双灵敏度VISAR速度灵敏度高的优势，就可准确求解冲击波速度。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种三灵敏度复合型激光聚变冲击波速度测量系统及方法。

背景技术

惯性约束核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它利用高能激光作为驱动源(直接或间接驱动)，几十束甚至几百束高能激光按照一定的时序持续地压缩靶丸内的燃料，使之达到极高的温度和压强，直至实现聚变反应。惯性约束核聚变在民用和军事上都具有十分重大的研究意义，它将为人类探索一种清洁的核能源，研究成果还可用来研制无放射污染的核武器以及发展高能激光武器等。因此，该研究领域受到了世界各核大国的高度重视，建立了一系列的激光驱动装置。

目前世界上主要的激光驱动装置有：美国的Nova(10束激光)，Beamlet(1束激光)，Omega(60束激光)，NIF(192束激光)等；俄罗斯的Iskra-6(128束激光)等；日本的GekkoⅫ(12束激光)等；法国的Phebus(2束激光)，LMJ(240束激光)等；中国的神光-Ⅱ(8束激光)，神光-Ⅲ原型(8束激光)，神光-Ⅲ主机(48束激光)等；英国的Vulcan(8束激光)等。

对驱动激光时序进行整形是一项至关重要的工作。随着ICF(InertialConfinement Fusion)研究的不断深入，人们发现实现高增益聚变的条件极为苛刻，因而被迫建立规模越来越大的激光驱动装置，不断提升驱动能力。相关研究表明，若能对燃料进行等熵压缩，实现聚变所需的驱动能量最小。为了实现等熵压缩，将驱动激光按时序构成一连串强度越来越大的驱动能量对燃料分步进行预热、预点火、预压缩、压缩，整个过程持续只有几十纳秒(10^-9s)。在这个微观的时间段内，几百束激光必须按照预定的时序精确地到达靶丸，它们的时序一旦出现错乱，将导致打靶失败。因此，在激光驱动器投入运行初期，对激光脉冲的时序进行整形是一项非常重要的调试工作。

目前，国内外均采用聚变冲击波干涉测速系统(Velocity InterferometerSystem for Any Refector，缩写为VISAR)进行聚变冲击波速度测量，其原理光路如图1所示。照明激光经照明光纤1传输，经照明镜头2整形后，经照明分束镜3反射，由成像镜头一4聚焦于靶面5。从靶面5反射的多普勒信号光经成像镜头一4会聚于中间像面6，然后光束由信号分束镜7分为两束。第一束信号经准直镜一8准直后，进入干涉仪一9，干涉仪一9中设置平行平晶标准具一10；相干光束经会聚镜一11成像在条纹相机一12的狭缝一13上。第二束信号经准直镜二14准直后，进入干涉仪二15，干涉仪二15中设置另一种厚度的平行平晶标准具二16；相干光束经会聚镜二17成像在条纹相机二18的狭缝二19上。

在图1中，平行平晶标准具使干涉仪的一个支臂产生Δτ的时间延迟。当目标静止时，干涉仪两支臂光的频率相同，条纹相机狭缝处得到静止的干涉条纹；当冲击波加载目标出现突然加速运动时，其返回的光产生多普勒频移，干涉仪输出的是两束具有Δτ时间差的频移光混频产生的差拍信号，差拍频率等于两束光的频率差。

该系统在神光-Ⅲ原型装置实验中获得的典型数据如图3所示，在纵坐标3ns处冲击波到达，然后冲击波在100ps以内瞬间达到30km/s的速度(参见图4)，起始阶段多普勒频移效应非常剧烈，干涉条纹出现丢失(参见图3中的干涉条纹放大视图)。条纹丢失的原因是：干涉仪一个支臂存在延迟标准具，其延迟时间为Δτ，在0～Δτ时间段内，干涉仪无延迟支臂的多普勒频移光已经到达输出端，而有延迟支臂的多普勒频移光仍没有到达，输出端是本振频率激光与多普勒频移光的叠加，其差拍频率过高，超出条纹相机响应范围而出现条纹丢失。

条纹丢失的理论依据如下：