技术摘要：
本发明公开了一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统及方法，其中，ICF靶丸表征系统包括干涉检测光路和背光投影检测光路，具体包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、非偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射  全部
背景技术：
惯性约束核聚变(ICF)是实现可控核聚变的主流方案之一，在核聚变研究中具有 重大意义。作为其核心的靶丸是一个由球壳、冰层及燃料气体等组成的多层球形。对该靶丸 表征关键的一步，就是确定靶丸各层的折射率与厚度。 针对靶丸各层的表征，国内外学者进行了大量的研究。中国工程物理研究院激光 聚变研究中心使用的X射线照相法(Wang  K ,Lei  H ,Li  J ,et  al .Characterization  of  inertial  confinement  fusion  targets  using  X-ray  phase  contrast  imaging[J] . (Optics  Communications,2014,VOL.332:P9～13.))可以在不被各层折射率干扰下直接测 得各层的厚度，但是却没办法获取各层的折射率。且因为X射线照相法需要花费数分钟来曝 光，也更容易受到环境的干扰。美国通用原子中心使用折射率液匹配法(Alfonso  E  L , Clark  A  A,Steinman  D  A,et  al.Techniques  to  Measure  the  Refractive  Index  of  GDP  and  Ge-Doped  GDP  with  Monochromatic  Light[J] .(Fusion  Science  and  Technology,2011,59(1):116-120))可以实现靶丸外层折射率的直接测量，但是对于内层 却没有办法。低相干共聚焦干涉显微方法(Wang  L ,Qiu  L ,Zhao  W ,et  al .Laser  differential  confocal  inner-surface  profile  measurement  method  for  an  ICF  capsule[J].(Optics  Express,2017,VOL.25，No.23:P28510～28523))可以同时测量各层 的折射率与厚度。但是，由于其测量时需要对冰层进行聚焦，可能会对冰层造成损伤。干涉 法和背光投影法都可以获取靶丸的球壳/冰层的折射率或厚度。但是，获得的折射率和厚度 信息耦合在了一起。对于这两种方法，必须知道折射率或厚度中的其中一个信息，另一个才 可获取。 为了解决该问题，一种基于光程差与光线偏折的迭代方法(Yan  T,Liu  D,Shen  X, et  al .ICF  target  DT-layer  refractive  index  and  thickness  from  iterative  analysis[J].(Optics  express,2018,26(14):17781-17793))被提出来同时获取靶丸各层 的折射率与厚度。然而，之前的系统偏实验性，由容易随着时间漂移的光学元件组成，不够 稳固；且之前的系统也不够紧凑，无法用于靶丸在线检测；此外，该系统为单波长，只可得到 单一波长下冰层的折射率，无法研究冰层的色散的特性，也无法进一步得出冰层的密度。 因此设计出一套紧凑、三波长ICF靶丸表征系统是很有必要的。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，可 以实现在线、三波长的ICF靶丸表征。 一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，包括干涉检测光路和背光投影检测光路， 5 CN 111595821 A 说　明　书 2/9 页 所述干涉检测光路的光源包括第一激光器、第二激光器和第三激光器；干涉检测光路中，第 一激光器发出的激光依次经过第一准直镜、第四反射镜、第一二向色镜和第二二向色镜，第 二激光器发出的激光依次经过第二准直镜、第一二向色镜和第二二向色镜，第三激光器发 出的激光依次经过第三准直镜和第二二向色镜，三个激光器发出的激光在经过第二二向色 镜后实现共路；共路的光经过第一偏振分束镜后分为两束，透射的一束经过非偏振分束镜 后反射，通过待测靶丸，并射入第二偏振分束镜；反射的一束经过第三反射镜反射后，同样 射入第二偏振分束镜，两路光经过第二偏振分束镜合束后，经过成像镜被第二反射镜反射 并穿过线偏振片后，成像到CCD图像传感器上； 所述背光投影检测光路的光源为LED，背光投影检测光路中，LED发出的准直光束 经过非偏振分束镜后分为两束：一束出射到系统之外；一束穿过待测靶丸后，再依次穿过第 二偏振分束镜和成像镜，被第二反射镜反射并穿过线偏振片，在CCD图像传感器上成像； 所述的CCD图像传感器与电脑连接，用于获取干涉检测光路产生的干涉图和背光 投影检测光路产生的背光投影图。 本发明的系统还包括监控相机，用于在将待测靶丸插入系统时，对输送待测靶丸 的送靶装置进行观测。 第一激光器、第二激光器和第三激光器均为单模光纤激光器，波长分别为1064nm， 785nm，532nm。这些激光器可以通过配套软件完成开关控制，无需对物理开关进行手动操 作。 为了实现三波长系统，设计了三光源耦合光路部分，第一准直镜出射的1064nm的 激光经过第四反射镜反射后，经过第一二向色镜透射，并再经过第二二向色镜反射后，射向 第一偏振分束镜；第二准直镜出射的785nm的激光经过第一二向色镜反射后，经过第二二向 色镜反射后，射向第一偏振分束镜；第三准直镜出射的532nm的激光经过第二二向色镜透射 后，射向第一偏振分束镜。 所述第一二向色镜的透射带为932-1300nm，反射带为400-872nm，所述第二二向色 镜的透射带为400-633nm，反射带长为685-1600nm。经过这样的设计，干涉部分的三个光源 的激光最终都射向了第一偏振分束镜，进入了后续的干涉部分，完成了三个光源的合束。 所述的线偏振片可以根据不同透光率的靶丸进行旋转，从而保证干涉图的最大对 比度。所述的成像镜采用10倍放大的超长波段消色差的显微物镜，从而保证了系统的分辨 率以及最大程度降低了色差的影响。所述的CCD图像传感器采用18.128×13.596mm的大像 面及5.5μm的像素尺寸，最终测得的系统分辨率和视场分别为2μm和1.95×1.46mm。 整个系统的基座底部设置有转接，从而可以与真空腔内的其他部分转接耦合。 第一激光器、第二激光器、第三激光器和LED这四个光源同时只能打开一个； 获取干涉图时，待测靶丸的后表面、成像镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足 成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸的纵向截面、成像镜、CCD图像传感器三者的 设置距离满足成像共轭关系。 本发明还提供了一种ICF靶丸表征方法，采用上述紧凑、三波长的ICF靶丸表征系 统，包括以下步骤： (1)搭建ICF靶丸表征系统； (2)在开始干涉检测和背光投影测试之前，利用送靶装置将靶丸插入系统，并且准 6 CN 111595821 A 说　明　书 3/9 页 确地定位在物像共轭位置； (3)当靶丸定位完成后，分别打开LED(18)、第一激光器(1)、第二激光器(2)和第三 激光器(3)，采集背光投影图和三个波长的干涉图； (4)根据两个光路结构所采集到背光投影图和干涉图，通过以下求解以下公式，从 而求得靶丸的折射率与厚度： 式中，前三式描述了通过靶丸的光的光程差信息，x1，x2分别为两条光线的入射高 度，其所对应的出射光线高度分别为r1，r2，而Δx1，Δx2分别为光线经过靶丸偏折的高度； OPL表示对应光线经过靶丸的光程，OPD为两条光线的光程差；后三式描述了通过靶丸的光 的光线偏折信息，X2为亮环高度，X为其对应的入射光线的高度，Y2为出射光线横向偏移距 离，X1为出射光线高度， 为出射光线偏折角度；n2与t2为靶丸的冰层折射率与厚度；在该式 中，未知数为x1，x2，X，n2与t2，其他参数可从背光投影图与干涉图测得，或可根据光线追迹 推导表示； (5)计算出三个波长对应的折射率后，代入柯西色散公式： n＝A-B/λ2 C/λ4   (2) 式中，λ为波长，n为此波长对应折射率，A，B，C为常数系数； 根据三个波长的折射率列出三个方程，从而求解出柯西色散公式中三个系数A，B， C的值，于是得到了靶丸内冰层折射率随波长变化的关系，即冰层的色散特性； (6)根据靶丸内冰层的色散特性，求解得到550nm下的冰层折射率；在550nm波长 下，其折射率与密度的关系为： n＝1 A′ρ   (3) 式中，对于不同的同位素、不同物态以及不同的气体密度，A′是不相同的，而是有 一个范围变化：A′＝3.15±0.12；对于固态的冰层，A′是一个与分子量有关的函数，即： A′＝[3.195-0.015(M-2)]×10-6m3/mol   (4) 其中，M是被测材料的分子量，计算获得靶丸内冰层的折射率后，进一步获得冰层 的密度信息。 在搭建ICF靶丸表征系统时，需要对干涉检测光路的光源进行调整，以保证三个光 源的确共路(即没有平移、倾斜方向的偏差)，具体过程如下： (1-1)将系统中的CCD图像传感器先用于来辅助光源调节，非偏振分束镜的透光方 向后方安装导轨和CCD图像传感器，使CCD图像传感器可以在导轨上前后移动；将第一激光 器、第二激光器、第三激光器、第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、第四反射镜、第一二向 色镜、第二二向色镜、第一偏振分束镜、非偏振分束镜安装完成后，开始进行三波长光源共 7 CN 111595821 A 说　明　书 4/9 页 路的微调； (1-2)依次对三个光源进行调节，首先打开第三激光器，调节CCD图像传感器的高 度和横向位置，使得第三激光器(3)的激光光斑位于CCD图像传感器接收面中心；沿导轨前 后移动该CCD图像传感器，若光斑从中心移到了其他位置，则调整第三准直镜的角度；继续 沿导轨前后移动CCD图像传感器，直到光斑在接收面上的位置稳定不变； (1-3)打开第二激光器，沿导轨前后移动CCD图像传感器，调节第二准直镜的角度， 以及第一二向色镜、第二二向色镜的角度，并且在该过程中不断沿导轨移动CCD图像传感 器，直到第二激光器的光斑与第三激光器的光斑重合，且不随CCD图像传感器的移动而移 动，说明两路激光光束已经平行且重合； (1-4)打开第一激光器，调节第一准直器以及第四反射镜的角度，在该过程中不断 沿导轨移动CCD图像传感器，直到此激光器光斑与另外两路光斑重合，且不随CCD的移动而 移动，说明三路激光光束已经平行且重合，从而完成三路光源共路的初步调整； (1-5)完成ICF靶丸表征系统所有部分的搭建后，开始三路光源共路的细调整；在 靶丸插入前依次打开各激光光源，并且调节第三反射镜，使得CCD图像传感器所接收到的干 涉条纹最为稀疏，尽量均匀一片； 若是三个光源所对应的干涉图并未同时均匀一片，或者三个干涉图中的干涉条纹 方向不一致、疏密程度与波长不符，则说明三路光源依然没有完全共路；对前述初步调整过 程中涉及到的器件继续进行小心的精细调整，直至达到三光源所对应干涉图同时均匀一片 或干涉条纹一致且疏密满足波长关系，此时完成了三路光源共路的细调整。 当式(1)所要求的靶丸外半径未知时，利用系统中背光投影检测光路来求解；背光 投影检测光路是一个成像光路，通过预先标定成像放大倍率，从而根据像面上靶丸外半径 对应像素数，反推出靶丸外半径的大小； 当式(1)所要求的靶丸球壳折射率与厚度未知时，通过将式(1)中的n2与t2设为0， 以n1与t1作为未知数求解，从而在测量单层靶丸的同时测得单层靶丸的球壳折射率与厚度。 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 1、本发明首次提出一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统，可以同时测得靶丸球 壳/冰层的折射率与厚度； 2.本发明提出的ICF靶丸表征系统，结构紧凑、稳定，从而可以放置于真空腔体内， 对ICF靶丸进行在线检测。 3.本发明提出的ICF靶丸表征系统可以对待测靶丸实现三波长检测，从而可以获 取冰层的色散特性，进而求解得到冰层的密度。 4.本发明提出的ICF靶丸表征系统采用单帧采集方式，使得靶丸定位完成后，全部 的数据采集、数据处理过程不超过0.5分钟。 5.本发明具有可以在完全未知靶丸任何参数时进行测量，具有很高的适用范围和 实用性。 附图说明 图1为本发明一种紧凑、三波长的ICF靶丸表征系统的整体结构示意图； 图2为本发明干涉检测光路中三个激光光源的共路调节示意图； 8 CN 111595821 A 说　明　书 5/9 页 图3为本发明ICF靶丸表征系统的送靶方法示意图； 图4为本发明ICF靶丸表征系统的ICF靶丸表征方法的原理图； 图5为本发明实施例中采集到的单层靶丸实验图。