高功率固体激光光学元件损伤在线检测装置研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 在用于惯性约束聚变（icf）研究的高功率固体激光驱动器中，光学元件损伤 的在线检测一直是强激光物理与技术研究的重点。为了保证工作人员的安全，降低 装有光学元件的真空装置内爆对设备的危害，降低由于损伤点的衍射对光束质量的 影响，降低损伤导致的激光装置性能的退化，拆卸尚可修配的光学元件，对光学元 件损伤尺寸必须予以检测和监控。 光学元件损伤是主要由于强激光的非线性效应而导致，损伤包括表面损伤点、 内聚焦丝，灰尘和划痕等。当损伤点尺寸达到 1mm，必须能检测到。高功率固体 激光装置通常设计成带有空间滤波、多程放大系统等大型的光学元件组件，而光学 元件损伤在线检测系统一般设计成对光束进行缩束后的检测系统，这样就形成了多 个光学元件像面的重叠、系统分辨率是否能达到 1mm的精度以及检测到图像如何 处理的问题。本文研究的主要内容和主要进步点如下： (1)确定了光学元件损伤在线检测装置的原理光路图。通过对反射式和透射式 在线检测成像原理和实验结果的比较，考虑到反射式检测中的偏振和光源能量的问 题,确立更适合大型激光装置的透射式在线检测方式。 (2)确定了光学元件损伤在线检测的成像方法。通过对明场成像和暗场成像实验 结果的对比，确立了能更准确的对光学元件损伤进行在线检测的明场成像和暗场成 像相结合的成像方法。 (3)解决了由于多程放大和光束缩束导致的像面重叠问题。通过对多程放大系统 光路的展开并结合空间滤波小孔来分离像面；通过对光学元件损伤横向定位纵相显 微检测的方式解决缩束带来的像面重叠问题。 (4)解决了光学元件损伤在线检测中的图像处理问题。分析了在线检测中损伤图 像的光斑，提出了适合在线检测中的图像处理方法，并结合空间滤波小孔对采集图 像进行图像分离。 (5)初步设计了光学元件损伤在线检测图像处理的软件。软件包括了对损伤图像 进行处理、分析、计算、判断以及对损伤统计的功能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii (6)确定了光学元件损伤在线检测装置的初步设计方案。通过对神光原型装置 终端靶场系统的模拟和实验研究以及原型装置驱动系统的模拟研究，提出了原型装 置的在线检测装置的初步方案。 关键词： 关键词：神光原型装置，光学元件损伤，在线检测，成像方法，图像处理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii abstract in the study of the high power solid laser for icf (inertial confinement fusion), online inspection for optic damage plays an important part in the research of high laser physics and technology. damage inspection of the large aperture components is required for several reasons to minimize the risk to personnel and to reduce the risk to equipment due to an implosion of vacuum loaded optics, to reduce the performance degradation of the laser, and to provide the ability to remove optics before they are damaged beyond repair. optics damage is mainly caused by the nonlinear effect of high laser, the damage of large optics includes the surface damage dots, interior focalized filaments, dust, scratches and so on. it is necessary for us to detect and know the damage when the size of the damage has gotten to the size of 1mm. usually, the high power solid laser is designed to the optics system which contains spatial filter and more-pass cavity with amplifier. however, the online inspection system for optic damage is usually designed in miniature for the aperture of the beam is reduced. so we need study the following problems: the image of the damage overlapped each other, the problem of processing image and the resolution of the inspection system. the contents are mainly divided into six sections as follows: (1) the principle beam line of online inspection equipment is determined. two ways for light how to detect the damage are considered, one is the transmission way and the other is reflected way, the theory analysis and experiment of two ways are studied. considering the polarization and the energy of probe beam in the reflected way, the transmission way is the choice for the online inspection. (2) the imaging way of online inspection is also determined. by the comparison of the experiment conclusion of bright filed image and dark filed image, the imaging way is the way of the combination of two ways, which is the best way for online inspection. (3) the problem of overlapping image which is the result of more-pass cavity with 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv amplifier and the depth of filed is solved. the optical schematic of the beam line is unfolded and spatial filter cavities are combined by different ways to separate image of damage. in order to solve the problem of depth of filed, the damage is determined at landscape orientation, and then to know more details at portrait. (4) the problem of image processing for online inspection is also solved. the image of damage is analyzed. then the way suited to online inspection is put forward. and also the damage images are separated through image processing and different combination of spatial filter cavities. (5) the software of image processing for online inspection is designed. it includes the function of analysis, calculation, estimation and statistic of damage. (6) the elementary scheme of the equipment of the online inspection is determined. the online inspection simulation on the final optics is carried through and the experiment is studied. also, the simulation of sg-prototype laser is carried through and the elementary scheme is given out. key words: sg-prototype laser, optics damage, online inspection, imaging way, image processing 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经表明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式表明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用于本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 icf 及其驱动器的简介及其驱动器的简介 惯性约束聚变icf（inertial confinement fusion ）1-2是当前国际上的重大前沿 科研领域，对国防科技有着极为重要的科学意义和应用价值，从长远看，对解决未 来的能源问题极具有战略意义。惯性约束聚变的基本思想是：利用激光或离子束作 为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀作用于装填氘氚燃料的微型靶丸外壳， 形成高温高压等离子体，利用反冲压力使靶外壳做向心运动，压缩氘氚主燃料层到 每立方厘米几百克质量的高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点 火条件，这种方案被称为中心点火模型。这和太阳的聚变过程相仿，只是约束高温 等离子体的方式有所不同。为了实现中心点火，发展出了以下两种驱动方式3： （1）直接驱动4：激光束直接照射氘氚靶丸表面（如图1.1） 。这种方式有较高的 效率，但是为了达到高倍的压缩，要求驱动光束在4立体角内均匀照射靶面。 图 1.1 直接驱动原理示意图 （2）间接驱动5-6：为了避开这一难点，采用激光束照射高原子序数元素制成 的靶腔，这样可将光束能量的70%80%转化为x光辐射，x光经输运热化后再加 热氘氚靶丸表面（如图1.2） 。由于放宽了光束能量沉积的均匀性，减弱了对流体力 学不稳定性的敏感程度，美国icf研究从1976年开始便将它的大部分力量投入到 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 这种方案的研究中。 indirect-drive illumination fuel capsule compression fusion ignition fusion burn x-rays from the hohlraum create a rocket-like blowoff of capsule surface, compressing the inner-fuel portion of the capsule during the final part of the implosion, the fuel-core reaches 20 times the density of lead and ignites at 100,000,000oc thermonuclear burn spreads rapidly through the compressed fuel, yielding many times the input energy laser beams rapidly heat the inside surface of the hohlraum 图 1.2 间接驱动原理示意图 近年来又提出了一种新的点火方案，它将内爆压缩和点火分开进行，被称为快 点火模型7。方法是先用激光压缩氘氚到极高密度，然后外加一束超短超强光脉冲， 产生大量超热电子（1mev以上） ，在极高密度氘氚边缘内部形成热斑点火，然后扩 展到整个靶丸。理论研究表明，把中心点火改为快点火，可大幅度降低对驱动能量 的要求。 图 1.3 快点火原理示意图 由于icf研究有很强的应用背景， 各大国在驱动器领域的竞争非常激烈8（见 表1.1和表1.2） 。1998年10月21日，美国能源部批准建造国家点火装置（nif） 。 在建中的nif实验平台提供了研究温度接近一亿k， 压力接近一千亿个大气压下物 理过程的可能性，这些条件仅存在于恒星内部和核武器爆炸中。1993年，法国原子 能委员会也批准了建造兆焦耳激光装置（laser megajoule） 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 表 1.1 用于 icf 研究的主要固体激光装置9-10 国家 实验室 装置 主要目标 能量(kj) 束数 运行时间 美国 llnl nova 间接驱动 45(3) 10 1984-1999 美国 llnl beamlet 间接驱动 6.4(3) 1 1994-1999 美国 lle omega 直接驱动 40(3) 60 1995- 日本 ile gekko xii 直接驱动 20(3) 12 1983- 法国 limeil 实验室 phebus 间接驱动 8(3) 2 1986- 神光i 间接驱动 1.6(1) 2 1985-1994 中国 高功率激光物 理国家实验室 神光ii 间接驱动 6(1) 8 2000- 英国 卢瑟福实验室 vulcan 快点火 2(2) 8 运行 表 1.2 建造中的新一代 icf 固体激光驱动器 国家 实验室 装置 能量(kj) 束数 完成时间 美国 llnl nif 1800(3)192 2008 法国 cea_dam lmj 2400(3)240 2008 中国 caep 神光 60(3) 48 2010 俄国 vniief iskra-6 300(3) 128 ? 如图1.4所示是一个典型的icf高功率固体激光驱动器的结构简图11-12。注入 的激光脉冲先通过助推放大器，由偏振器反射进入腔内空间滤波器，通过主放大器 之后由变形镜返回，再次通过主放大器及腔内空间滤波器，这时pockels盒通电使 激光偏振面由水平转为垂直，从而激光脉冲通过偏振器，被腔反射镜反射后进入主 放大器经第二次双程放大，再由腔内空间滤波器返回时，pockels盒处于断电状态， 激光脉冲则由偏振器反射，经由助推放大器放大，最后经三倍频转换射入靶室。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 main amp.(11) 1 lm (deformable mirror) 1 sf 2 sf pockels cell polarizer 3 lm (elbow mirror) power amp.(5) targer 6 lm 4 lm 5 lm 7 lm frequency converter focus lens diffactive optics plate debris shield csf tsf 3 sf 4 sf 2 lm (cavity mirror) 图 1.4 用于 icf 的高功率固体激光驱动器结构简图 从图1.4和前面的介绍我们可以看到，icf高功率固体激光驱动器有以下几个 基本特点： 1光学元件多。据文献报道，nif的各种大口径光学元件达到8500多片12；我 国的sg涉及光学元件3000多个13。 2元件口径大。nif的通光口径为400mm400mm，我国的sg通光口径也 达到300mm300mm，通常大口径光学元件造价非常高。 3强光传输。注入的种子光经逐级放大后能量能达到tw量子，光强一般达到 gw/cm2,所以比传统光源高处许多量级。 1.2 光学元件损伤光学元件损伤 icf高功率固体激光驱动器具有光学元件多，光学元件口径大并且强光传输的 特点决定了光学元件易损坏而且损伤危害大，下面分别对损伤机理及其危害性进行 分析，便于更好的设计在线检测装置。 1.2.1 光学元件损伤形成机理光学元件损伤形成机理 光学元件损伤主要是由于高功率固体激光驱动器中传输的强激光的非线性效 应导致而产生的。强激光是指具有大能量、高功率、短脉冲、高光束质量的激光， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 所谓高强度是指激光的功率大于1012w，能量在千焦耳以上。强激光在三倍频转换 晶体kdp14和光束变换元件、 窗口材料等靶场终端光学元件中会产生显著的受激布 里渊散射、受激喇曼散射15-17和b积分效应等18-19,这些非线性效应将引起传输激 光附加的位相变化、光束质量下降,严重时将导致光学元件的破坏。 (1) 强激光系统中的受激布里渊散射效应 受激布里渊散射在光学元件中引起纵向尤其是横向声波,经边界反射后干涉将加 强,会显著降低激光光束质量,损耗激光能量,严重时必然造成光学元件的破损。 强激光 系统的大量光学元件中,有许多各向异性的晶体元件,由于晶体的复杂各向异性的特 点,其受激布里渊散射的研究十分困难。s.a.belkov et al. 对各向异性晶体中横向受 激布里渊散射进行了探索性的理论研究20,从maxwell 方程和各向异性介质的连续 性方程,推导出泵浦光在未被抽空的小增益时的耦合波方程。 (2) 强激光系统中的b积分效应和自聚焦 强激光非线性效应导致光束质量下降可以用“b 积分”表示,它是评价强激光非线 性效应的一个重要因子,它代表光强小尺度扰动的指数增长率;b积分越大,自聚焦效 应就越强。强激光非线性效应导致折射率变化而产生的附加位相为： 2 0 0 4 l l kn idlb n c = (1.1) 其中 l k为激光波数, l为激光通过介质的长度, 0 n为介质的折射率, 2 n为非线性折 射率, c为真空中的光速, i为光学元件中总的激光光强。（1.1）包括整个系统在内 的积分被定义为“b积分”。当发生横向受激散射时,将造成激光光束的横向空间强度 的波动并导致位相产生微扰、波面的严重畸变和偏振态的显著破坏,导致光束小尺寸 自聚焦,甚至对光路中的光学元件造成毁灭性的破坏。光束的非均匀性或材料的非均 匀性等还可能通过类似自聚焦的机制形成“丝化”现象,造成光学元件的破坏。对于较 细的光束，自聚焦效应将导致光束最终形成一个强度非常的细丝，如果细丝的强度 超过了光学元件介质的损伤阈值，激光介质将被损坏。对于光斑尺寸较大的光束,另 一类自聚焦效应即小尺度自聚焦将是使光束质量下降和导致激光介质破坏的主要因 素。因为叠加在大光束之上的小尺度(小于光束的尺寸) 调制场有可能随传输距离指 数增大,最终将整个光束分裂成许多根强度非常高的细丝,这种过程通常也称为光束 成丝。在用于惯性约束聚变的大型激光驱动器中，自聚焦效应导致的光束成丝是导 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 致光学元件损伤的主要原因。 1.2.2 光学元件损伤分类光学元件损伤分类 在光元件损伤在线检测中，为了便于分析检测结果的损伤类型，有必要首先对 光学元件损伤进行规类。图1.5列出了各类的损伤。 adust b. pit cmassive d. contamination escratch f. massive linear gmassive on scratch h. bubble 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 i. scratch j. massive star behind inclusion k. inclusion l. massive star 图1.5 各种不同的损伤分类 1.2.3 光学元件损伤的危害光学元件损伤的危害 强激光的非线性效应导致的光学元件表面损伤和内聚焦丝会产生极大的危害。 其主要表现在以下几个方面： （1） 光束质量的下降。激光光束质量是惯性约束聚变中的重要的性能指标， 评价光束质量的参数有聚焦斑尺寸、远场发散角、斯特列尔比、m2因子21等。而 损伤的存在，通常表现为光束的高频信息，因而改变了光束的性能，在经过透镜的 传输后，会影响到焦斑尺寸和远场发散角以及m2因子，显然损伤将会影响到实际 焦斑处峰值功率从而影响斯特列尔比。 （2）损伤点产生的热效应会造成光学元件的爆炸。由于热效应能导致损伤点 的光学元件的形变以及光束质量的变化，从而易导致带有损伤点的光学元件的爆炸 以及其他光学元件的爆炸。 （3）由于光束在损伤点的衍射造成其他光学元件的损伤。由于损伤点的衍射 使得其他光学元件受到光束照射强度的不均匀，光强大的地方，容易达到光学元件 的损伤阈值，从而造成元件的损坏。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 1.3 光学元件损伤在线检测光学元件损伤在线检测 伴随着光学损伤造成危害的出现，对光学元件损伤的在线检测成为了迫切需要 解决的问题，研究在线检测以便对损伤进行监控，减少不必要的损失和危害。 光学元件损伤在线检测是对离线检测而言的，离线检测是指将所要检测的光学 元件对象从系统中卸载下来，进行测量和分析。而光学元件损伤在线检测是指利用 探射光对系统中要检测的对象成像，对成像进行标定，并通过分析成像来研究光学 元件本身的性质。 利用光学元件损伤在线检测，克服了离线检测中卸载元件的困难性，而且在大 工程项目中，离线检测对于已调好的光路是行不通的，因为光路的恢复将是一个巨 大的任务。而在打靶后，必须对激光驱动器中的光学元件进行检测，必须知道损伤 的大小以便决定下一发打靶是否进行，这就需要对激光驱动器中的光学元件能进行 实时的监控。 以前对于光学元件的损伤的检测，主要利用非激光光源照明并靠人眼来观察， 缺点是费时费力，检测效率低，而且有很大的不确定性。对于大型激光装置，由于 人眼观察距离的有限性，根本无法对远距离的元件进行观察，而人眼的误差也将严 重影响检测的效果。因此对光学元件的在线检测是高功率固体激光驱动器安全运行 不可缺少的基础。 光学元件损伤在线检测的主要目的是：通过对光学元件损伤点在线检测成像图 像的研究，结合系统的放大倍率可以计算出损伤的尺寸，当达到极限尺寸时候，可 以将光学元件卸载下来，除去由于损伤点而产生的爆炸危害；可以分析计算损伤点 对光束质量的影响，从而为光束质量的控制提供一定的依据；也可以监控到当损伤 点在达到不可修复的极限尺寸，此时将光学元件卸载下来进行修复，由于大口径光 学元件的制造需要很高的费用，因此具有很大的经济作用；在线检测能进一步了光 学元件损伤的性质，能从图像分析了解光学元件损伤是由强激光的非线性效应产生 的损伤还是表面的污染物或者内含物；在线检测也能通过图像处理来确定损伤所在 的光学元件，这样就对整个高功率固体激光驱动的安全运行提供一个有力的保障。 综上所述必须研究适合高功率固体激光驱动器的在线检测装置，在线检测装置 一般是一缩束成像系统，并通过计算机等相关辅助系统，检测系统能够对不同的光 学元件成像， 并能分析各光学元件表面损伤的性质， 因此在线检测系统将是光、 机、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 电、图像处理等于一体的综合系统。 1.4 国内外研究现状国内外研究现状 对于光学元件的损伤，伴随着高功率固体激光驱动器的建成，是人们必须面临 的问题，光学元件损伤带来的危害也引起了人们的极大程度上的重视，也一直尝试 研究适合icf驱动的光学元件损伤的在线检测装置，因此设计出icf激光器的 odoie（optics damage online inspection equipment）对于icf激光器的稳定安全 运行具有非常重要的意义。 美国的利夫莫尔实验室（llnl）从1995就开始在beamlet装置上进行光学元 件损伤在线检测的早期工作22 ，25， 对光学元件损伤在线检测光路进行了研究， 后来 德文献 23对在线检测光路的描述，成为以后各国研究在线检测装置的基本原型。 其光路包括在线检测系统的基本思想和基本原理，即利用成像系统对光学元件成像 并通过分析像的性质来考虑光学元件本身。在线检测系统包括两个系统：分别是 laser optics damage inspection(lodi)和final optics damage inspection(fodi)。 而每各 分检测系统又包括准直激光子系统和光学元件损伤探测子系统， 其基本光路如图1.6 所示。 图 1.6 准直激光子系统和光学元件损伤探测子系统光路图 1998年，llnl实验室以图1.6所示的装置为原型作稍微的改变应用到nif23 上，原理和基本光路并未改变，只是在尺寸设计和成像关系的位置作了改变，光学 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 元件损伤在线检测系统在nif中的位置如图1.7所示： 图 1.7nif 光路图及 lodi 的位置 1999年文献24中报道nif在线光学元件检测系统on-line optics inspection system采用与lodi及其类似的设计，光路如图1.8所示。 图 1.8 nif 的 on-line optics inspection system 光路图 2002年中国工程物理研究院研制光学元件在线检测样机， 设计并制作发射平行 光管，接收平行光管，进行离线及在线检测；但图像对比度较低，损伤点的位置与 尺度无法准确确定。2004年用预放输出的光进行在线损伤检测研究，光路见图1.9。 主要的工作是通过调整ccd的位置， 使ccd相机分别对l2和l3之间的不同位置 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 进行成像；在tsf处通过设置不同尺寸的高通滤波器，将成像位置调在元件的前焦 面，判断不同的高通滤波器尺寸对损伤测量结果的影响。但以上工作皆未给出定量 的结论。 图 1.9 2004 年在线损伤检测研究光路图 由于国内icf驱动器的物理目标和运行状态与nif都有一些差异， 照搬nif对 光学元件损伤在线检测方法是不适合的，因此急需建立一种有用的检测方法，设计 出在线检测装置，解决国内光学元件损伤在线检测的实际问题。虽然在线检测装置 基本都是以nif的为参考，但对于其中的关键技术、关键问题我们还不清楚，虽然 国内进行了初步的探索，但未取得实质性的进展，因此需要我们从理论和实验研究 来探索并解决其中的关键问题、关键技术。 1.5 本文研究的主要目标和内容本文研究的主要目标和内容 对于光学损伤在线检测装置的研制来说，有一系列问题需要解决，包括光学元 件损伤在线检测的成像方法如何在理论模拟和实验中给予论证，检测光路如何在理 论模拟和实验中给予优化，在线检测系统怎样设计才能满足检测要求，怎样通过图 像处理来分析像从而达到分析光学元件本身，怎样解决检测装置的景深的问题，怎 样解决由于多程放大产生的像面重叠的问题，怎么通过软件对对采集的图像处理监 测等。基于上述原因，本论文的研究内容如下： (1)在线检测光路的研究。基于nif的检测光路，作出适当的改变，以便更适合 自身情况的研究，确定了探射光束透射到成像系统的检测方式。 (2)成像方法的研究。 基于nif给出的暗场成像方法， 通过实验得到了暗场成像， 验证了其可行性，并提出了明场成像和暗场成像像结合的成像方法。 (3)通过图像处理分析光学元件的成像来分析光学元件本身。分析损伤像的形 ccd相机 移动装置 成像透镜 取样劈板 ccd相机 移动装置 成像透镜 取样劈板l4l4 l3 l2 l3 l2910 11 12 1314 片状放大器 空间滤波器 片状放大器 空间滤波器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 状，尺寸，以及灰度的分布来确认光学元件损伤的形状大小，并通过图像处理和光 路滤波小孔的组合解决了景深的问题。 (4)图像处理软件的设计。图像处理软件的算法包括如何计算损伤尺寸，面积， 如何判断损伤是否达到极限，包括损伤点的统计等。 (5)通过图像处理软件对ccd所采集的损伤图像进行了示范的处理分析，并与 离线结果比较，结果基本与实际尺寸吻合。 (6)结合上述的研究，对靶场终端系统进行了在线检测的研究，并分析了失败的 原因及改进方案。 (7)模拟计算了原型装置的在线检测，并结合上述研究，从理论上模拟成功，并 提出了原型装置在线检测装置设计的初步方案。 1.6 章节安排章节安排 按逻辑顺序，本文结构安排如下：首先是为什么要研究在线检测装置，这是绪 论部分解释的。其次是研究在线检测装置需要解决哪些基本的问题，也是研究的重 点，本文在第25章进行了描述。最后是怎么设计在线检测装置，提出在线检测 装置的指标，本文第6章进行了描述。在文章后面，还提出了论文需要继续解决的 问题和存在的不足。具体内容安排如下： 第一章 绪论 本章首先简单接受了icf及其驱动器的基本情况，接着引出了 本文的研究目的及研究对象：光学元件损伤的在线检测，然后分析了光学元件损伤 在线检测的研究现状，提出了本文的研究内容和目标，最后简述了章节安排。 第二章 光学元件损伤在线检测光路的研究 首先介绍了反射式暗场像的在线 检测的检测光路及原理，然后介绍了透射式暗场成像的在线检测光路及原理，最后 对反射式和透射式在线检测光路进行了比较，确立了透射式的在线检测光路。 第三章 光学元件损伤在线检测成像方法的研究 首先介绍了明场成像的实 验研究， 然后介绍了暗场成像的实验研究， 最后通过分析对比明场成像和暗场成像， 确定了明暗结合的成像方法。 第四章 光学元件损伤在线检测图像处理的研究 首先基于反射式检测的图 像处理提出了适合在线检测的图像处理，接着介绍图像分析方法，最后通过模拟和 实验都实验了明场到暗场的转换，进一步论证了明场成像与暗场成像的关系。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 第五章 光学元件损伤在线检测图像处理软 介绍了软件具有哪些功能，以及 软件需要改进的地方。 第六章 光学元件损伤在线检测装置的研究 首先通过模拟和预判性的实验 确定了在线检测的设计路线，接着对原型装置的在线检测装置进行了模拟研究，最 后提出了原型装置在线检测的初步方案。 第七章 展望与总结 本章主要介绍了本论文的研究成果、尚需开展的工作以 及论文的不足之处。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2 光学元件损伤在线检测光路的研究光学元件损伤在线检测光路的研究 对于光学元件损伤在线检测装置系统来说，确定其原理光路是基础，光路的分 布将决定检测装置的造价、性能、尺寸及适用范围。为此，本章介绍了两种在线检 测光路的详细光路及原理，分析了两种光路适用的条件并通过比较，选择了最优光 路。在介绍每种光路之前，先讲述了每个光路的暗场成像；暗场成像顾名思义就是 得到的成像是暗背景上的亮的成像，两种在线检测装置主要都是利用暗场成像来研 究光学元件损伤的在线检测。 2.1 反射式在线检测光路反射式在线检测光路 2.1.1 反射式在线检测光路原理图反射式在线检测光路原理图 反射式在线检测光路就是利用反射式暗场成像来设计在线检测光路的26。 首先介绍反射式暗场成像的原理，当照明光斜照射于物体，继续正常光路前进 （透射或者反射） ，此光束不能直接进入显微镜，于是视场是暗的。视场中某物体 （观察对象）却起着散射（也可反、折射）的左右，这些光能进入物镜，因而在暗 场成明亮的像。这些小物体可以是正常情况所不能分辨的。较大的物体只能看到模 糊的像，细节一般不清楚。其光路示意图如图2.1所示。 光 学 系 统 探 射 光 散 射 光 接 收 系 统 图 2.1 反射式暗场成像光路示意图 根据反射式暗场成像的原理设计了光学元件损伤在线检测的光路， 光路如图2.2 所示。光学元件在线检测实验装置主要由激光照明和图像采集系统组成，图像采集 系统包括接收平行光管、ccd摄像机、图像采集卡和计算机等，接收平行光管为内 调焦平行光管，可以实现对不同位置钕玻璃进行逐一调焦成像。光学元件以布儒斯 特角放置,导入平面镜可以旋转及上下移动，以完成对钕玻璃的全视场检测。由激光 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 器发出的光束经平行光管准直后透过分光镜，再由平面反射镜导入被检测光学系 统，如果光学元件无损伤，则没有散射光进入接收系统，背景显示为黑色，即暗场； 如果光学元件组件存在损伤，则损伤点的后向散射光经平面反射镜和分光镜反射后 进入平行光管，损伤点就成像在ccd摄像机靶面上，图像由计算机记录，通过软 件对图像进行处理和分析后，给出损伤点的光学元件在被检测光学系统中的位置和 尺寸。 internally focusing collimator ccd computer illuminating collimator laser spliter mirror nd glasses 图2.2 反射式在线检测图 2.1.2 反射式在线检测光路的实验论证反射式在线检测光路的实验论证 实验中，所用在线检测光路图如图2.2所示。检测光路各部分的主要参数和功 能如下： （1）照明光源为半导体激光泵浦的 4 :nd yvo 激光器，波长为1.064m， 功率可调节，最大功率为200mw，照明光束口径为40mm。 （2）接收平行光管： 内调节平行光管，调焦范围1.5 ,)m .通光口径为150mm，焦距为f108mm，理 论分辨率为 1。 （3）分光镜：透射照明光束，反射成像光束，将照明平行光管和接 受平行光管的光轴合二为一。 （4）反射镜：将照明平行光束导入被检测光学系统， 同时将光学元件损伤点产生的散射光反射到分光镜，经分光镜反射后进平行光管， 反射镜可以移动和旋转，以对被检测光学元件进行扫描。 （5）接受系统：ccd的最 小分辨率为1212mm。用上述装置进行了在线检测的实验，并对影响在线检测 实验结构的因素作了讨论和比较。 (1)可行性验证。对某光学元件标尺，以及表面的损伤进行了在线检测，得到了 如下的实验结果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 2.3 标尺的在线检测图 图 2.4 表面损伤的在线检测图 从图2.3和图2.4可以看处，此检测光路对于在线检测是可行的，能够检测 到表面的损伤及标尺情况，但影响在线检测结果的因素必须给予考虑。 (2)影响因素。影响因素将会给检测结果带来很大的改变，我们需通过实验的 比较来得到当测量误差最小时，各系统应具备的条件。 1)入射光线与光轴的夹角 在实验中，改变入射光线与光轴的夹角，夹角变化范围为090度。不 同的夹角采集的损伤图像不同，如图2.5所示。 a 10 度 b 20 度 c 30 度 d 50 度 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 e. 55 度 f. 65 度 g. 70 度 h. 75 度 i. 80 度 j. 90 度 图 2.5 不同入射角度的损伤图像 从以上的实验结果可以看出，当入射光线与光轴夹角在030度时不能清楚检 测到光学元件的损伤。在5080度之间能清楚的看到损伤情况，在8090度虽然 能看到损伤，但损伤的信息不全。从而得出当入射光线与光学元件表面垂直左右分 布的角度较适合反射式在线检测实验，这是因为若光线以布儒斯特角入射光学元件 表面， 而光学元件本身相当于起偏器， 这样产生偏振， 使得反射光中垂直分量占优， 而平行光分量几乎损失殆尽，因此能量损失很大，导致反射的光很弱，接受系统难 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 以分辨损伤信息。 2) 光能量的影响 从理论上来讲，入射光能量对反射式在线检测系统来说非常重要。能量太低不 能检测到，能量太高，经济耗费大，并可能将ccd损坏。分别改变光源的能量来 进行实验研究，以单倍光源能量（50mw）和双倍能量（100mw）照射同一光学 元件，得到的损伤图样如图2.6所示。 a单倍能量照射的损伤图像 b.双倍能量照射的损伤图像 图 2.6 不同能量照射的损伤图像 从不同能量照射的损伤图像可以看出，在不损坏ccd的情况下，能量高能更 清楚的反映损伤信息，但是随之而来的反射背景光也越明显，背景可能将部分损伤 信息湮灭，不利于损伤的检测。因而在检测中需要激光器的能量可调，并选择适合 在线检测的光的能量。 3)光学元件数量的影响 在实验中，被检测光学元件的总数量为4，分别对4个光学元件同时在线检测 和单独在线检测，来研究光学元件数量对在线检测的影响。 a.同时检测时 1 元件的损伤图像 b.单独检测时 1 元件的损伤图像 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 c同时检测时 2 元件的损伤图像 d.单独检测时 2 元件的损伤图像 e同时检测时 3 元件的损伤图像 f. 单独检测时 3 元件的损伤图像 g.同时检测 4 元件的损伤图像 h单独检测时 4 元件的损伤图像 图 2.7 不同光学元件数量的损伤图样 从图2.7可以看出，光学元件数量越多，检测效果越差，越远离光源的光学元 件， 其表面的信息在检测中， 反映的就越少， 这是因为随着光的传输过程中的损耗， 到达光学元件表面的光能量以及反射回去的损伤信息的光的能量很少，因此损伤信 息不能被检测到。从第1到第3光学元件，随着光学元件数量的增加，在线检测的 图像反映的损伤信息越来越少，远小于其单独检测的损伤图样反映的信息。到了第 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 4光学元件，在线检测则无法检测到损伤信息，因此光学元件数量的影响将影响到 损伤的检测精度和定位能力。 4)光学元件前后表面及景深的影响 由于系统景深的影响，光学元件前后表面难以分离，在预先不知道的情况下， 不能确定损伤的所在的位置。 a某光学元件前表面的损伤图像 b.某光学元件后表面的损伤图样 图 2.8 不同表面的损伤图像 从图上， 可以看出， 光学元件损伤疵点成像在前表面和后表面都有其损伤信息， 很能分辨损伤在前表面或者后表面，而景深也是在线检测中需要解决的一个难题， 在第6章中，将予以解决。 反射式在线检测光路的原理，影响因素在上述章节中给出了描述，并通过实验 结果的对比，给出了适合在线检测所应该具备的条件和所面临的问题，其优缺点将 第3章给予描述。 2.2 透射式在线检测光路透射式在线检测光路 在描述了反射式在线检测光路后，下面将对透射式在线检测光路进行描述，分 析其成像原理，影响因素。 2.2.1 透射式在线检测原理光路研究透射式在线检测原理光路研究 透射式在线检测光路也是利用暗场成像的原理，所以首先介绍透射式暗场成像 的原理。这里使用的暗场成像技术，是根据信息光学原理而提出的。当光束通过光 学系统后，光学系统中起着反射、折射的观察对象所表现的信息将是频率的高频成 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 分，通过高通滤波