本發(fā)明屬于激光探測技術領域，涉及一種任意反射表面速度干涉儀的探針光勻化系統(tǒng)及勻化方法。

背景技術：

任意反射表面速度干涉儀(Velocity Interferometer System for Any Reflector，簡稱VISAR)是一種基于光在運動物體表面反射產(chǎn)生多普勒頻移效應進行測速、具有探針光的主動式、高空間分辨的速度干涉儀。在國內外VISAR被廣泛用于慣性約束核聚變(ICF)的研究，是最近幾十年內發(fā)展起來的最重要的波剖面測試設備，可以用于物質高壓狀態(tài)方程實驗、材料特性實驗、沖擊特性瑞利-泰勒實驗、脈沖整形實驗等。

VISAR的探針光使用的是某種波長的激光，該探針光系統(tǒng)通常由激光器、輸出光纖、光束預整形光路、探針形成光路這四部分構成。從光學成像關系角度來說，輸出光纖的末端面為“物面”，光束預整形光路和探針形成光路共同構成一個成像鏡頭，被探照的靶面為“像面”。換言之，光束預整形光路和探針形成光路共同構成的成像鏡頭將“光纖端面”成像在“靶面”處，“光纖端面”和“靶面”具有物像共軛關系。因而，若要求“靶面”被均勻照明，則要求激光在“光纖端面”必須是均勻分布的。

然而，從國際上來看，VISAR探針光的照明均勻性一直是困擾科研人員的一個關鍵問題?？蒲腥藛T嘗試了許多種解決方案，但一直未能取得比較理想的效果。

美國在該問題的解決上大致經(jīng)歷了兩個階段：第一階段，大幅延長光纖長度；第二階段，使用多根光纖同時照明。但效果均不是十分理想：在第一階段中，他們將昂貴的芯徑為φ1mm的特制光纖的長度增加到30m，以期光線在光纖中充分反射、混合，起到勻化作用。但是，每一根光線在光纖中的反射都是周期性的，因此光束的整體效果也是周期性的，簡單地增加光纖長度達不到預期的勻化效果；在第二階段中(即現(xiàn)在美國NIF裝置正在應用的方案)，他們將三根芯徑為φ1mm的光纖緊密排成“品”字形，用三根光纖同時照明“靶面”，以期在“靶面”處使三個照明光斑相互交錯疊加，改善“靶面”照明不均的狀況。此方法具有一定的勻化效果，但由于光纖數(shù)太少其改善效果十分有限，況且該方法使得照明光斑分散，導致“靶面”激光能量密度大幅降低，激光能量的利用率大幅下降。

國內在該問題的解決上大致也經(jīng)歷了兩個階段：第一階段，同樣大幅增加光纖長度；第二階段，光學離焦。其中，光學離焦指的是通過改變光纖端面的軸向位置，打破“光纖端面”和“靶面”的物像共軛關系，這樣在“靶面”處就得不到“光纖端面”的清晰像，即得到的是模糊的像，正是通過這種模糊化方式，以期獲得勻化效果。但是，若模糊化嚴重了，的確可以起到一定的勻化效果，但離焦之后照明光斑會大幅增大，致使激光的能量利用率急劇降低。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決VISAR探針光照明的均勻性問題，本發(fā)明提出了一種任意反射表面速度干涉儀的探針光勻化系統(tǒng)和勻化方法。

本發(fā)明通過一套特殊的光學系統(tǒng)對“光纖端面”的出射光束的結構進行重組，并形成一個光斑分布絕對勻化的“虛擬的光纖端面”，以此“虛擬的光纖端面”替代原有的光纖端面，從而使“虛擬的光纖端面”和“靶面”形成物像共軛關系。本發(fā)明既可獲得絕對的光斑勻化效果，照明面積大小又可控，也能充分利用激光器功率。

本發(fā)明的技術方案是：

任意反射表面速度干涉儀的探針光勻化系統(tǒng)包括光纖輸出激光器；其特殊之處在于：所述勻化系統(tǒng)還包括準直鏡頭和縮束鏡；所述準直鏡頭設置在光纖激光器的輸出光路上，并且準直鏡頭的焦面位于光纖輸出激光器的光纖端面處；所述縮束鏡包括縮束鏡前組和縮束鏡后組；縮束鏡前組設置在準直鏡頭的輸出光路上；縮束鏡后組設置在縮束鏡前組的輸出光路上，并且縮束鏡前組和縮束鏡后組的焦面重合，構成開普勒望遠鏡結構；

為保證虛擬光纖端面6處光斑大小、數(shù)值孔徑均與光纖端面1處的相同，所述光纖端面的光纖芯徑D₀、準直鏡頭的焦距f₁、縮束鏡前組的焦距f₂和縮束鏡后組的焦距f₃滿足如下關系：

式中，α為所述光纖端面出射光束的出射半角；f₁和f₂均為預設值，f₂>f₁>5mm；

勻化系統(tǒng)的出瞳位置即為勻化后的虛擬光纖端面，光纖輸出激光器的光纖端面上每一點出射的光束經(jīng)準直鏡頭和縮束鏡均勻展開并層層疊加后從所述虛擬光纖端面輸出。

為去除高頻干擾，獲得更加理想的勻化效果，在上述縮束鏡前組和縮束鏡后組的中間像面處(即光纖端面經(jīng)準直鏡頭和縮束鏡前組所成像的像面處)設置有濾波孔。

為更方便的確定虛擬光纖端面的位置，在上述準直鏡頭上設置有光闌，光闌處為勻化系統(tǒng)的入瞳位置，勻化系統(tǒng)的出瞳位置即為勻化后的虛擬光纖端面。

本發(fā)明還提供了一種采用上述勻化系統(tǒng)對探針光進行勻化的方法，其特殊之處在于包括以下步驟：

(1)使用準直鏡頭對從光纖端面上的每一個點所發(fā)出的光束進行準直

(2)使用縮束鏡前組對步驟(1)中準直鏡頭的輸出光束進行聚焦；

(3)使用縮束鏡后組對步驟(2)中縮束鏡前組的輸出光束進行再準直，根據(jù)物像共軛關系，勻化系統(tǒng)的出瞳位置即為勻化后的虛擬光纖端面。

考慮到高頻光會對虛擬光纖端面的光斑造成干擾，可在上述步驟(3)之前使用濾波孔先將光束中的高頻成分濾除以獲得更理想的勻化效果。濾波孔設置在所述縮束鏡的中間像面位置，即所述光纖輸出激光器的光纖端面經(jīng)準直鏡頭和縮束鏡前組所成像的像面處。

本發(fā)明采用準直物鏡和縮束鏡組成勻化光路，將光纖輸出激光器的“光纖端面”的每一個點的光斑展開并層層疊加，便可形成相對于“原光纖端面”(光纖輸出激光器的光纖端面)數(shù)值孔徑不變、光斑直徑不變、光斑分布絕對勻化的“虛擬光纖端面”。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、勻化效果好

本發(fā)明“虛擬光纖端面”上的光斑是“原光纖端面”上每一個點光斑均勻展開再層層疊加的結果，無論原光纖端面上的光斑如何分布不均，在“虛擬光纖端面”上的光斑分布幾乎能達到絕對的均勻；同通過各光學元件參數(shù)關系以及位置關系的設置，保證了“虛擬光纖端面”的光斑大小和數(shù)值孔徑與“原光纖端面”相同。

2、本發(fā)明的縮束鏡采用有中間像面的結構形式，并在中間像面上設置濾波孔以濾除激光中的高頻成分，去除高頻干擾，有利于達到更理想的勻化效果。

3、適用性好

本發(fā)明不改變VISAR現(xiàn)有的“光束預整形光路”和“探針形成光路”，只需在光纖前端加入勻化光路，用“虛擬光纖端面”替代原“光纖端面”即可。因此，對現(xiàn)有VISAR的升級改造非常方便。

說明書附圖

圖1為本發(fā)明的結構原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的勻化效果示意圖。

其中：1-光纖端面；2-準直鏡頭；3-縮束鏡前組；4-濾波孔；5-縮束鏡后組；6-虛擬光纖端面。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的任意反射表面速度干涉儀的探針光勻化系統(tǒng)包括光纖輸出激光器、準直鏡頭2以及由縮束鏡前組3和縮束鏡后組5組成的縮束鏡。

準直鏡頭2設置在光纖輸出激光器的輸出光路上，并且準直鏡頭2的焦面位于光纖輸出激光器的光纖端面1處?？s束鏡前組3設置在準直鏡頭2的輸出光路上；縮束鏡后組5設置在縮束鏡前組3的輸出光路上；縮束鏡前組3和縮束鏡后組5的焦面重合，構成開普勒望遠鏡結構。

為保證虛擬光纖端面6處光斑大小、數(shù)值孔徑均與光纖端面1處的相同，光纖端面1的光纖芯徑D₀、準直鏡頭2的焦距f₁、縮束鏡前組3的焦距f₂和縮束鏡后組5的焦距f₃滿足如下關系：

式中，α為所述光纖端面出射光束的出射半角；f₁和f₂均為預設值，f₂>f₁>5mm。

為去除高頻干擾，獲得更加理想的勻化效果，在縮束鏡前組3和縮束鏡后組5的中間像面處(即光纖端面1經(jīng)準直鏡頭2和縮束鏡前組3所成像的像面處)設置有濾波孔4。

為更方便的確定虛擬光纖端面6的位置，在準直鏡頭2上設置有光闌，光闌處(也即準直鏡頭2處)為勻化系統(tǒng)的入瞳位置，勻化系統(tǒng)的出瞳位置(入瞳和出瞳是物像共軛關系)即為勻化后的虛擬光纖端面。換言之，出瞳是入瞳經(jīng)過由縮束鏡前組3和縮束鏡后組5組成的縮束鏡所成的像，該像的位置即為虛擬光纖端面6的位置。

本發(fā)明所提供的勻化系統(tǒng)將光纖端面1上每一個點發(fā)出的光束都以特定直徑(直徑大小由縮束鏡的縮束比控制)的平行光從虛擬光纖端面6出射。虛擬光纖端面6上的光斑是光纖端面1上每一個點光斑均勻展開并層層疊加的結果，無論光纖端面1上的光斑分布如何不均，在虛擬光纖端面6上的光斑分布幾乎可以達到絕對的均勻。

本發(fā)明還提供了一種采用前述勻化系統(tǒng)對探針光進行勻化的方法，包括以下步驟：

(1)使用準直鏡頭2對從光纖端面1上的每一個點所發(fā)出的光束進行準直；

(2)使用長焦距的縮束鏡前組3對步驟(1)中準直鏡頭2的輸出光束進行聚焦；

(3)使用短焦距的縮束鏡后組5對步驟(2)中縮束鏡前組3的輸出光束進行再準直，根據(jù)物像共軛關系，勻化系統(tǒng)的出瞳位置即為勻化后的虛擬光纖端面6。

考慮到高頻光會對虛擬光纖端面的光斑造成干擾，本發(fā)明在上述步驟(3)之前使用濾波孔4先將光束中的高頻成分濾除以獲得更理想的勻化效果。本發(fā)明將濾波孔4設置在縮束鏡的中間像面位置，即光纖端面1經(jīng)準直鏡頭2和縮束鏡前組3所成像的像面處。

本發(fā)明采用準直物鏡2和縮束鏡組成勻化系統(tǒng)，將光纖端面1的每一個點的光斑展開并層層疊加，便可形成光斑分布絕對勻化的虛擬光纖端面6，并且虛擬光纖端面6的數(shù)值孔徑和光斑直徑均等于光纖端面1的數(shù)值孔徑和光斑直徑。

下面結合具體實施例對本發(fā)明的光學參數(shù)和勻化效果作進一步的說明。

實施例：

圖2為光纖端面1的中心點發(fā)出的數(shù)值孔徑NA＝0.27的光束經(jīng)過勻化系統(tǒng)后得到直徑為φ1mm的平行光束的效果示意圖。圖2中的各參數(shù)為：

f₁-準直鏡頭2的焦距；

d₁-準直鏡頭2和縮束鏡前組3之間的間距；

f₂-縮束鏡前組3的焦距；

f₃-縮束鏡后組5的焦距；

d₂-縮束鏡后組5和虛擬光纖端面6之間的距離；

NA-光纖端面1處光束的數(shù)值孔徑；

NA'-虛擬光纖端面6處光束的數(shù)值孔徑；

α為光纖端面1出射光束的出射半角；

NA'＝NA＝sinα；

D₁-經(jīng)準直鏡頭2準直后的光束口徑；

D₂-濾波孔4的直徑；

D₃-虛擬光纖端面6處的光束口徑。

光纖端面1各個點發(fā)出的數(shù)值孔徑NA＝0.27的光束經(jīng)過勻化系統(tǒng)后的勻化效果如圖2所示，由圖2可見，勻化系統(tǒng)將光纖端面1每一點出射的光束都以直徑為φ1mm的平行光從虛擬光纖端面6出射，虛擬光纖端面6處光束的數(shù)值孔徑NA'＝0.27。

虛擬光纖端面6的光斑是光纖端面1上每一個點光斑均勻展開、再層層疊加的結果。無論光纖端面1上光斑分布如何不均，在虛擬光纖端面6上的光斑分布幾乎可以達到絕對的均勻。

在勻化系統(tǒng)中，準直鏡頭2的焦距f₁決定了經(jīng)其準直后的光束口徑D₁，

D₁＝2*f₁*tanα＝2f₁*tan(arcsin0.27) (公式2)

可見，準直鏡頭2的焦距f₁準直后的光束口徑D₁呈正比。由于整個勻化系統(tǒng)最終要得到D₃＝1mm的虛擬光纖端面6，因而縮束鏡的縮束比為

D₁:D₃＝D₁:1＝2f₁*tan(arcsin0.27):1＝2f₁*tan(arcsin0.27)(公式3)可見，準直鏡頭2的焦距f₁同時決定了縮束鏡的縮束比。

當縮束鏡的縮束比確定之后，則縮束鏡前組3和縮束鏡后組5的焦距之比隨之確定，因為縮束鏡的縮束比同時等于f₂:f₃。因此可得，

f₂:f₃＝2f₁*tan(arcsin0.27) (公式4)

濾波孔4位于縮束鏡的中間像面位置，它與光纖端面1成物像共軛關系，中間像面是光纖端面1經(jīng)準直鏡頭2和縮束鏡前組3所成的像，像面大小與兩鏡頭(即準直鏡頭2和縮束鏡前組3)的焦距有關，濾波孔4的直徑

D₂＝f₂:f₁ (公式5)

虛擬光纖端面6的位置與準直鏡頭2和縮束鏡前組3之間的間距d₁、縮束鏡前組3的焦距f₂、縮束鏡后組5的焦距f₃都有關系。因為虛擬光纖端面6位于勻化系統(tǒng)的出瞳位置，而勻化系統(tǒng)的入瞳在準直鏡2上，入瞳和出瞳是物像共軛關系。換言之，出瞳是入瞳經(jīng)過縮束鏡(包括縮束鏡前組3和縮束鏡后組5)所成的像，其物距為d₁，像距為d₂。

下面以f₁＝20mm，f₂＝100mm，D₃＝1mm為例，給出圖中各參數(shù)的數(shù)據(jù)：

D₁＝2f₁*tan(arcsin0.27)＝11.216mm；

取物距d₁＝10mm時(d₁值不固定，變化時只影響像距d₂)，

D₂＝f₂:f₁＝5.000mm；

由縮束比f₂:f₃＝2f₁*tan(arcsin0.27)得出f₃＝8.916mm；

利用高斯公式分兩步計算d2：

高斯公式：其中，f為透鏡物方焦距，f'為透鏡像方焦距，l為物距，l'為像距。

第一步：計算準直鏡2的入瞳經(jīng)縮束鏡前組3所成像的位置。

已知縮束鏡前組3的物距：l＝-10mm；物方焦距f＝-100mm；像方焦距f'＝100mm，根據(jù)高斯公式可以求得入瞳相對縮束鏡前組3的像距l(xiāng)'＝-11.111mm；

第二步：根據(jù)傳遞關系，縮束鏡前組3的“像”即為縮束鏡后組5的“物”。

已知縮束鏡后組5的物距：l＝(-11.111)+(-100)+(-10)＝-121.111mm；

物方焦距f＝-8.916mm；像方焦距f'＝8.916mm

根據(jù)高斯公式可以求得出瞳的位置d2＝l'＝9.624mm。