[发明专利]激光差动共焦干涉核聚变靶丸形貌参数测量方法与装置

摘要

本发明公开的激光差动共焦干涉核聚变靶丸形貌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。本发明将激光差动共焦技术与短相干干涉测量技术结合，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，实现核聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量。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.激光差动共焦干涉核聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量方法，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获得几何轮廓参数，利用短相干干涉技术对聚变靶丸(13)进行干涉测量获得形貌参数，结合利用激光差动共焦技术和短相干干涉技术获得核聚变靶丸形貌轮廓参数，实现核聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量，所述核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数包括聚变靶丸(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，平行光束被分光镜A(3)反射后被分光镜C(21)分为透射照明光束和反射照明光束，反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，测量光束被分光镜C(21)分为透射测量光束和反射测量光束，反射测量光束透过分光镜A(3)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；反射照明光束进入干涉臂(24)被反射后再次被分光镜C(21)反射，与透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、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)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、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；步骤四、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：步骤五、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，使计算机(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，在靶丸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和移相干涉图Ψ_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}和移相干涉图(Ψ_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}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(13)的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，实现核聚变靶丸形貌轮廓参数的综合测量。