“神光-Ⅱ”第九路终端光学系统稳定性分析

 在“神光-Ⅱ”装置上进行先进高能多功能激光束系统(简称第九路)研制工程中，由于在原ICF靶室上又增加了输入“汤姆逊探针光”和“X光背光照明探针光”的锥形真空套筒及其终端光学元件，导致原有靶室结构的变化，可能会引入新的不稳定因素。通过有限元分析方法，建立有限元分析模型，进行优化设计。通过位移传感器测量结果可知，第九路终端光学元件径向窜动所引起的打靶误差最大值为2.110 μm，小于“神光-Ⅱ”靶场终端光学系统的最大允许误差值7.785 μm。     

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20 m的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。     

高精度CCD室内立靶测试系统设计

针对室内靶道,设计了一种基于双线阵CCD图像采集的立靶密集度测试系统,论述了系统的工作原理和组成。提出了一种新的数学模型,有效地抑制了传统测试方法中对两个相机相对位置的精度要求,配合阵列LED背射主动光源,通过一体化靶架设计,提高了测试精度,极大地减少了系统布靶时间。实弹射击试验验证了系统的工作性能。结果表明,所研制的测试系统布靶快捷,在1m×1m测试范围内,立靶坐标偏差均方根小于1mm,能够实现连发测试。     

激光打靶过程中的电磁脉冲特性

为诊断激光打靶产生的电磁脉冲信号分布,选取环天线作为主要电磁脉冲信号采集装置,对靶室内外信号同时进行测试。从天线设计制作到天线标定,描述了脉冲诊断系统的搭建。通过对信号进行采集及处理,对比分析了靶室外、法兰口及靶室内脉冲信号的频域特性和强度。得出靶室内受到电磁脉冲辐射强度最大且频谱分布最广,其次是法兰口,靶室外电磁脉冲信号最弱。总结多次激光打靶电磁脉冲信号频域分布,可看出波峰主要出现在0.5,1.2,3GHz。电磁脉冲时域结果规律性展示出脉冲持续约100ns,因靶室内回波振荡,电磁脉冲信号于几ns处及几十ns处有较明显峰值蔟。     

神光Ⅲ主机搭载平台双光路自动瞄准系统

神光Ⅲ主机靶室中用来搭载多种物理诊断设备(条纹相机、分幅相机等)的平台要求具有很高的定位精度和工作稳定性,能方便、可靠地实现对靶室内打靶目标的瞄准,为此设计了一种双光路自动调整与瞄准装置,其位置精度可以保证20μm范围内。搭载平台采用了一套双光路成像系统和一套三自由度运动部件构成瞄准系统。在瞄准系统中,应用视觉伺服控制技术,实现了搭载平台对打靶目标的高精度自动瞄准。搭载平台已经安装到神光Ⅲ主机装置上进行了自动瞄准精度检测,得到径向(z)和指向(x,y)的瞄准调整精度分别为14,11,12μm;实际搭载了分幅相机进行激光打靶考核验证,通过物理实验得到了X光焦斑图像,表明该自动瞄准调整系统满足工程使用要求。     

BRISOL铝同位素放射性核束的产生

北京放射性核束装置在线同位素分离器(BRISOL)采用100 MeV回旋加速器提供的最大200μA的质子束打靶在线产生放射性核束。在BRISOL上已经使用氧化钙靶、氧化镁靶产生了Na⁺、K⁺等放射性核束。为了产生铝同位素放射性核束,研发了碳化硅靶材,开展了碳化硅靶产生铝放射性核束的实验研究。在BRISOL装置上首次产生了铝同位素放射性核束,其中^26gAl⁺的束流强度为8.7×10⁷ pps,²³Al⁺的束流强度为2.2×10² pps,同时将BRISOL靶能承受的质子束流强提升至15。     

神光Ⅲ主机装置X光静态成像系统研制

针对神光Ⅲ主机装置的靶室结构和打靶方式要求,基于针孔成像原理,成功研制出应用于神光Ⅲ主机装置的X光静态成像系统。该系统采用模拟靶组件进行离线瞄准,并可进行在线轴向和指向调节,调节精度分别为81 m、40 m。针孔组件和滤片组件的自动更换使系统实现了真空环境下的在线快速切换和运行。同时使用有限元软件ANSYS对系统的变形与应力进行模拟分析以保证系统的可靠性。系统搭载X光CCD在神光Ⅲ主机装置上进行激光打靶考核,实验结果表明,该系统达到神光Ⅲ主机装置使用要求。     

神光Ⅲ主机装置真空靶室组件研制

针对神光Ⅲ主机装置真空靶室系统横向刚度较弱、必须进行现场精密加工和安装等研制中的技术难题，对真空靶室组件的结构和整体加工工艺进行了设计。结合靶场总体稳定性设计思路，设计了垂直支撑结构和能提供摩擦阻尼耗能的横向支撑结构，并对壁厚进行了优化设计。通过使用开孔器、六维调节结构和激光跟踪仪，设计修配调整垫等，解决了现场精密加工问题，实现了靶室与靶场基准体系的精密对接。计算结果表明，48束打靶透镜平均平动位移均方根值为2.8 m。建成后，靶室中心高度偏差为0.12 mm，水平偏差达到0.18 mm，各重要联接法兰对心偏差达到0.35～0.40 mm。     

神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统

近背向散射光诊断系统的建立对于精密测量近背向散射光能量份额具有重要意义,它为惯性约束聚变物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑。介绍了神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统,包括其主要功能、技术要求、光学设计与机械设计要点。该诊断系统以离轴椭球镜及靶室外的光学传递组为核心元件,具有灵活可靠的支撑和调节结构。在原型装置上使用该系统进行了打靶试验考核,结果表明该系统能进行稳定测量,数据结果符合预期。     

单离子微束离子入射点定位

 为满足辐射实验的定位精确度要求,提出了一种对微束离子入射点进行捕捉和定位的方案。该方案根据离子束流轰击闪烁体能激发出光信号的特性,结合单离子微束装置的显微图像采集系统,通过对离子激发出的光斑进行图像采集分析实现了对离子入射点的定位。验证实验通过一种CR39膜记录离子辐射径迹, 采用的毛细玻璃管瞄准器内径为5 μm,长度为980 μm。实验得出了运用该方案进行入射点定位时装置的整体定位精度。     

Size Measurement of Very Small Spherical Particles by Mie Scattering Imaging (MSI)

The Mie Scattering Imaging method (MSI) gathers out‐of‐focus images of dispersed spherical particles present in a laser light sheet and extracts the individual particle diameter from these images. The general idea of the method has been around for more than a decade and a number of papers has dealt with it over recent years. Our work focuses on small particle sizes from 20 μm down to 2 μm, a range which has not been tackled so far although it is of great importance in particle systems. We present an optical set‐up with a special arrangement of camera lenses that allows to work in this range. An evaluation algorithm based on correlation of the experimental optical information with theoretical Mie scattering was found to give the most accurate results for particle sizing. Besides accuracy measurements on solid spheres the versatility of the method is demonstrated by an example of transient droplet growth between 2–7 μm.     

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件（DOE）,并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了18 mm~360 mm连续变焦,满足100 %冷光阑匹配,在空间频率16 lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明:双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

激光非接触曲面面形传感器

提出一种用于空间自由曲面测量的激光非接触曲面面形传感器。该传感器结构简单，在光学原理上传感器的输出量与被测量成线性关系，接收物镜绕系统光轴３６０°接收目标面的漫射光，目标面的倾斜产生的影响很小，解决了困扰空间自由曲面测量中阴影效应、倾斜等问题。该传感器的测量范围为４ｍｍ，分辨率为２μｍ，当目标面（漫反射面和金属等镜面反射面）倾斜角为±８５°时，仍能保证２０μｍ的测量精度。     

光纤菲佐传感器频分复用网络解调方法研究

为了减小光纤菲佐传感器间的串扰,提高传感器网络的复用能力,提出了基于Pisarenko正弦波恢复法的光纤菲佐应变传感器频分复用网络光谱解调方案。在多光束干涉原理的基础上,建立了基于Pisarenko正弦波恢复方法的传感器频分复用解调模型,并对2个光纤菲佐传感器的串扰进行了实验研究。快速傅里叶变换能够达到应变精度好于±10με的传感器间最小腔长差约为500μm,而该方法可以把最小腔长差缩短至100μm左右。这意味着系统的复用能力提高了大约5倍。因此,该方法是一种串扰小、复用能力强的解调方法,在大容量准分布式传感网络中具有极大的潜在应用价值。     

飞秒激光产生的X射线双光谱成像

在微介观诊断中往往因为空间限制,选择具有亮度高、单色性好、对比度强的特征谱线,而忽略了轫致辐射谱线。率先实验设计了特征谱线和轫致辐射谱线的双光谱诊断X射线光源的方法,在中国工程物理研究院“星光Ⅲ”激光装置飞秒激光束靶室上进行实验,激光功率密度大于1.6×1018 W/cm2,脉宽为30 fs,45°入射靶面。在入射靶前侧,设计了用于特征光谱成像的针孔成像光路,获得Cu纳米颗粒靶产生的特征X射线的焦斑图像,为76 μm,大于刃边方法测得半径为54 μm的焦斑。在靶后侧,设计了轫致辐射成像光路,利用PIX射线CCD获得2×5的圆形Ta组图像。实验表明,利用双光谱成像设计合理,适合微介观材料动态诊断,提高诊断效率。     

Multi-band infrared imaging radiometer

A novel approach to multi-spectral thermal imaging using staring system has been developed. An original optical assembly has been designed set up and tested that allows to acquire simultaneously four images of the same target in different spectral bands using a single commercial IRFPA sensor and a single commercial focusing lens. The spectral and spatial separation of the four images is completely obtained by means of filters and refractive optics without any kind of scanning device or other moving part. The multi-spectral optic presented in this paper operates in the spectral region of middle infrared (3–5 μm). Spectral filters are used to select the appropriate bands of interest and they are easily interchangeable.     

塑料光纤直径测量系统

提出了以可编程逻辑器件为核心的塑料光纤直径在线测量系统,阐述了其工作原理。系统使用发光二极管作为光源、高精度线阵CCD作为图像传感器,简化了光学部分;应用EPLD和双口RAM,提高了信号处理效率;设计了提高测量精度的单片机数据处理算法。实验表明系统的测量范围为0 26～3mm,测量精度在10μm以内,满足塑料光纤直径测量要求。