成像型VISAR系統(tǒng)中激光散斑抑制方法

紀(jì)騰++徐濤++理玉龍++王峰++范乃吉++江少恩++張保漢

摘 要：成像型VISAR系統(tǒng)是激光驅(qū)動(dòng)聚變實(shí)驗(yàn)中診斷沖擊波速度的重要設(shè)備。由于采用了激光照明靶面的方式，所獲得的速度條紋圖中不可避免有激光散斑的影響。該文介紹了該系統(tǒng)的激光散斑形成的原因和散斑對(duì)速度分析的影響，提出了使用多模光纖束替代單根多模光纖耦合探針激光的光瞳照明方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法對(duì)影響條紋圖的散斑具有較好的勻滑效果，明顯改善了掃描條紋的分裂情況。

關(guān)鍵詞：成像型VISAR 激光散斑 多模光纖 光瞳法

中圖分類號(hào)：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（a）-0243-04

成像型任意反射面速度干涉儀（Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR）可用于診斷透明材料中沖擊波速度，已成為神光系列激光裝置中沖擊波速度歷程測(cè)量的主要設(shè)備。通常使用多模光纖將外置主動(dòng)式探針激光耦合進(jìn)入系統(tǒng)光路，從而實(shí)現(xiàn)照明目標(biāo)靶面的功能。由于激光具備很高的時(shí)間和空間相干性，會(huì)在照明靶面時(shí)引入散斑。散斑有兩個(gè)來源：一是粗糙靶表面不同位置對(duì)相干光引入不同的位相，導(dǎo)致反射后形成干涉，形成無規(guī)則的散斑分布；二是多模光纖不同模式之間存在光程差別，使得多模光纖輸出端面位置形成散斑。這些散斑通過系統(tǒng)的成像放大，會(huì)直接影響速度條紋圖的記錄，對(duì)測(cè)量是有相當(dāng)危害的，特別是當(dāng)散斑顆粒暗區(qū)與亮區(qū)的尺寸接近時(shí)（表征為散斑雪花樣顆粒很大），會(huì)造成速度條紋圖在速度變化位置斷裂、速度條紋分裂等，使得速度變歷程起點(diǎn)模糊不清，并影響測(cè)速的精度。

該文提出一種使用多模光纖束替代單根多模光纖耦合探針激光的光瞳照明方法，它利用不同光纖個(gè)體輸出的散斑分布存在差異的特點(diǎn)，使不同光纖輸出的照明激疊加在靶面位置，形成勻滑的照明分布，將散斑顆粒減小，從而減弱散斑對(duì)于速度條紋圖的影響，改善圖像質(zhì)量并相應(yīng)提升測(cè)速精度。

1 成像型VISAR光路及改造

在神光系列裝置上，成像型VISAR系統(tǒng)的光路如圖1所示，該系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)照明結(jié)構(gòu)、成像結(jié)構(gòu)與馬赫-曾德干涉儀的耦合系統(tǒng)。探針激光經(jīng)由光纖耦合進(jìn)入照明結(jié)構(gòu)，并將光纖端面成像到靶面從而形成照明，靶面反射光線后經(jīng)2次成像到條紋相機(jī)的狹縫上，而靶面的速度信息則通過干涉儀形成多普勒混頻條紋（靶面未移動(dòng)時(shí)為干涉條紋）傳遞到記錄條紋相機(jī)狹縫上。

為實(shí)現(xiàn)多光纖的照明區(qū)域重合，需改變?cè)袑胃饫w端面直接成像到靶面的方法（端面法），而采用一種光瞳法的照明光路設(shè)計(jì)。其基本思路是利用一個(gè)耦合透鏡將光纖束耦合進(jìn)入照明光路，使之成為平行光，在平行光路的適當(dāng)位置設(shè)置一個(gè)大小合適的實(shí)光闌，此光闌處于光纖束端面的光闌限制位置，此時(shí)，在無漸暈條件下，每根光纖耦合出的光束將會(huì)填滿此光闌；將此實(shí)光闌通過后續(xù)成像透鏡成像到靶面，這樣通過像傳遞關(guān)系，使得上述多種光束在靶面位置完全重合。使用的光路示意如圖2所示。通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Lighttools模擬傳統(tǒng)光路和改進(jìn)后的光路，獲得了靶面位置兩種照明的均勻性比較結(jié)果，如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

為驗(yàn)證光瞳法的照明效果及對(duì)實(shí)驗(yàn)影響，采用19根長(zhǎng)度10 m、na=0.22、芯徑0.25 mm的多模光纖緊密捆扎成一根光纖束，端面直徑約為1 mm，替代原有長(zhǎng)度10 m、na=0.35、芯徑1 mm的單根多模光纖，并根據(jù)光路相應(yīng)設(shè)計(jì)了耦合鏡頭及成像鏡頭。利用光束分析相機(jī)記錄了光纖端面直接成像到靶位置及利用光瞳法后靶面位置的光斑分布。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用光瞳法后，光斑分布起到了勻滑效果，散斑顆粒明顯減小。

將此方法移植入激光裝置的成像型VISAR系統(tǒng)中進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)考核。利用拋光鋁作為靶反射面，將探針激光耦合進(jìn)入光纖束后傳遞至靶表面，利用條紋相機(jī)記錄靜態(tài)時(shí)形成的干涉條紋。探針激光波長(zhǎng)532 nm，脈沖寬度為20 ns，最大輸出能量為2 mJ，采用10 ns的掃速檔進(jìn)行掃描。靶大小為1 mm，反射率>80%。利用工業(yè)級(jí)CCD記錄干涉儀后的條紋結(jié)果，如圖4所示，使用光瞳法照明后，條紋內(nèi)部的散斑顆粒直徑明顯減小，對(duì)單根條紋的破壞程度也就明顯減弱。利用條紋相機(jī)掃描后的結(jié)果如圖5所示，可見散斑造成的影響明顯有變化，圖5左邊是端面法的掃描條紋，右邊是光瞳法的掃描條紋。由于端面法中散斑顆粒太大，導(dǎo)致條紋被分裂成兩根或多根的情況較多；而光瞳法中，散斑顆粒變小后，條紋分裂情況明顯改善，在某些照明良好的空間區(qū)域，掃描條紋基本能保持完整，這樣在動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，條紋跳變位置及變化趨勢(shì)會(huì)清晰地呈現(xiàn)到記錄結(jié)果中。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

文章論述了利用多根光纖組成的多模光纖束及光瞳照明的方法及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：此方法對(duì)于由多模光纖造成的散斑具有較好的勻滑效果，掃描條紋的分裂情況得到了改善，這對(duì)于速度歷程測(cè)量的精度提高是具有好處的。

不足之處在于：相比于單根大芯徑的多模光纖，多模光纖束單根芯徑較小，且由于包層的原因互相之間不能完全緊靠，這會(huì)導(dǎo)致耦合效率相對(duì)較低；如果采用無包層設(shè)計(jì)，則會(huì)導(dǎo)致光纖之間的光束串?dāng)_，導(dǎo)致光束能量損失；由于使用了多模光纖束，每根光纖的長(zhǎng)度是不能保持完全一致的，例如10 m長(zhǎng)的光纖，纖纖之間可能有±10 mm左右的長(zhǎng)度誤差，這個(gè)因素可能影響測(cè)速的準(zhǔn)確性，但暫時(shí)還未評(píng)估。

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