成像型VISAR系统中激光散斑抑制方法

1、成像型VISAR系统中激光散斑抑制方法摘要：成像型VISAR系统是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式， 所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的影响。该文介 绍了该系统的激光散斑形成的原因和散斑对速度分析的影 响，提出了使用多模光纤束替代单根多模光纤耦合探针激光 的光瞳照明方法，并对该方法进行了验证。结果表明，该方 法对影响条纹图的散斑具有较好的匀滑效果，明显改善了扫 描条纹的分裂情况。关键词：成像型 VISAR 激光散斑 多模光纤 光瞳法中图分类号： TN24 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791 （2016）12（a）-0243-04成像型

2、任意反射面速度干涉仪（ Velocity InterferometerSystem for Any Reflector，VISAR可用于诊断透明材料中冲击波速度，已成为神光系列激光装置中冲击波速度历程测量的 主要设备。通常使用多模光纤将外置主动式探针激光耦合进 入系统光路，从而实现照明目标靶面的功能。由于激光具备 很高的时间和空间相干性，会在照明靶面时引入散斑。散斑 有两个来源：一是粗糙靶表面不同位置对相干光引入不同的 位相，导致反射后形成干涉，形成无规则的散斑分布；二是 多模光纤不同模式之间存在光程差别，使得多模光纤输出端 面位置形成散斑。这些散斑通过系统的成像放大，会直接影 响速度条纹图的

3、记录，对测量是有相当危害的，特别是当散 斑颗粒暗区与亮区的尺寸接近时（表征为散斑雪花样颗粒很 大），会造成速度条纹图在速度变化位置断裂、速度条纹分 裂等，使得速度变历程起点模糊不清，并影响测速的精度。该文提出一种使用多模光纤束替代单根多模光纤耦合 探针激光的光瞳照明方法，它利用不同光纤个体输出的散斑 分布存在差异的特点，使不同光纤输出的照明激叠加在靶面 位置，形成匀滑的照明分布，将散斑颗粒减小，从而减弱散 斑对于速度条纹图的影响，改善图像质量并相应提升测速精 度。1成像型VISAR光路及改造在神光系列装置上，成像型 VISAR系统的光路如图1所 示，该系统本质是一个照明结构、 成像结构与马赫

4、-曾德干涉 仪的耦合系统。探针激光经由光纤耦合进入照明结构，并将 光纤端面成像到靶面从而形成照明，靶面反射光线后经 2 次 成像到条纹相机的狭缝上，而靶面的速度信息则通过干涉仪 形成多普勒混频条纹（靶面未移动时为干涉条纹）传递到记 录条纹相机狭缝上。为实现多光纤的照明区域重合，需改变原有将单根光纤 端面直接成像到靶面的方法（端面法） ，而采用一种光瞳法 的照明光路设计。其基本思路是利用一个耦合透镜将光纤束 耦合进入照明光路，使之成为平行光，在平行光路的适当位 置设置一个大小合适的实光阑，此光阑处于光纤束端面的光 阑限制位置，此时，在无渐晕条件下，每根光纤耦合出的光 束将会填满此光阑；将此实光阑

5、通过后续成像透镜成像到靶 面，这样通过像传递关系，使得上述多种光束在靶面位置完 全重合。使用的光路示意如图 2 所示。通过光学设计软件 Lighttools 模拟传统光路和改进后的光路， 获得了靶面位置两 种照明的均匀性比较结果，如图 3 所示。2 实验设计及验证 为验证光瞳法的照明效果及对实验影响，采用 19 根长 度10 m、na=0.22、芯径0.25 mm的多模光纤紧密捆扎成一 根光纤束，端面直径约为 1 m m ，替代原有长度 10 m、 na=0.35、 芯径 1 mm 的单根多模光纤，并根据光路相应设计了耦合镜 头及成像镜头。利用光束分析相机记录了光纤端面直接成像 到靶位置及利用

6、光瞳法后靶面位置的光斑分布。从实验结果 来看，采用光瞳法后，光斑分布起到了匀滑效果，散斑颗粒 明显减小。将此方法移植入激光装置的成像型VISAR系统中进行物理实验考核。利用抛光铝作为靶反射面，将探针激光耦合进 入光纤束后传递至靶表面，利用条纹相机记录静态时形成的 干涉条纹。探针激光波长532 nm，脉冲宽度为20 ns，最大输出能量为2 mJ,采用10 ns的扫速档进行扫描。靶大小为1 mm，反射率80%。利用工业级 CCD记录干涉仪后的条纹 结果，如图 4 所示，使用光瞳法照明后，条纹内部的散斑颗 粒直径明显减小，对单根条纹的破坏程度也就明显减弱。利 用条纹相机扫描后的结果如图 5 所示，可

7、见散斑造成的影响 明显有变化，图 5 左边是端面法的扫描条纹，右边是光瞳法 的扫描条纹。由于端面法中散斑颗粒太大，导致条纹被分裂 成两根或多根的情况较多；而光瞳法中，散斑颗粒变小后， 条纹分裂情况明显改善，在某些照明良好的空间区域，扫描 条纹基本能保持完整，这样在动态扫描时，条纹跳变位置及 变化趋势会清晰地呈现到记录结果中。3 结语及展望 文章论述了利用多根光纤组成的多模光纤束及光瞳照 明的方法及其实验结果。结果表明：此方法对于由多模光纤 造成的散斑具有较好的匀滑效果，扫描条纹的分裂情况得到 了改善，这对于速度历程测量的精度提高是具有好处的。不足之处在于：相比于单根大芯径的多模光纤，多模光 纤束单根芯径较小，且由于包层的原因互相之间不能完全紧 靠，这会导致耦合效率相 ?较低；如果采用无包层设计，则 会导致光纤之间的光束串扰，导致光束能量损失；由于使用 了多模光纤束，每根光纤的长度是不能保持完全一致的，例 如 10 m 长的光纤，纤纤之间可能有± 10 mm 左右的长度误 差，这个因素可能影响测速的准确性，但暂时还未评估参考文献1 常宏 .激光显示中散斑抑制和主观散斑跟踪的研究D. 中国科技大学， 2010.2 彭晓世，王峰，刘慎业，等 .成像型任意反射面速度 干涉仪研制J.光学学报，2009, 29 (11): 3207-3211.3 徐涛，王峰，彭晓世