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ICF终端光学元件损伤在线检测装置的研究

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  • 发布时间:2014-08-10
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终端 光学组件 (Integrated Optics Module,IOM)是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion.ICF)光学系统的关键单元组件之- ,集成了多种大 口径终端光学元件。由于光束 自聚焦等原因,终端光学元件的表面及 内部会产生激光损伤 。损伤点的直径与激光辐照次数基本呈指数增长关 系[1-21。因此需要在损伤的初始形成阶段就进行探测和跟踪 ,在损伤达到- 定阈值前及时维修 .否则将造成不可修复的损伤 。

形成巨大的经济损失 。另外 ,光学元件的损伤也对打靶光束的质量有很大影响[31。因此光学元件损伤的检测对 ICF装置降运行至关重要。

目前 ,对于光学元件损伤的检测主要采用离线检测方法I471,离线方法具有检测效率低下 、限制条件多等缺点 ↑年来国际上 ICF发展迅速 ,装置规模越来越大 ,能量越来越高,对光学元件损伤检测的效率及精度要求也越来越高 。因此需要发展在线检测系统。光学元件损伤在线检测是相对于离线检测而言的,检测时光学元件不需要从光学系统中移出,而是在打靶发射间隔期对光学元件损伤进行实时的跟踪监测 ,以提高系统的运行效率。

美国利弗莫尔实验室在 2007年针对 国家点火装置(NIF)研市0了 Final Optics Damage Inspection(F0DI)装置 ,该装置在 8 m工作 距下 的检测分 辨率达 到110 Ixm,对 50 Ixm 以上损伤点可以进行跟踪8],可在2h内完成对全部 192路 10M 的检测 国内对于光学元件损伤在线检测技术也进行了-些初步研究[9-101。

自2009年起 。中国工程物理研究 院与哈尔滨1二业大学以神光-III原型装置”为平 台对 ICF终端光学元件损伤在线检测的相关技术进行 了研究[11-12]。文 中针对 神光-III原 型装置”中 10M 的分 布及 IOM 内光学元件 的排布特点设计 了终端光学元件损伤在线检测系统并开展了相关实验。

系统检测原理及方案设计神光-III原型装置”的靶室上下半球各装配有4路终端光学组件 。光学组件与靶室赤道面成 45。夹角,均匀分布于靶室上下两个半球 ,其光轴交于靶室中心。文中采用的检测原理是将-个高分辨率成像系统架设在靶室中心,通过姿态调整机构逐-对准各路终端组件,完成对 8路 IOM 中 56块光学元件的图像获取(其中真空窗口、透镜由于厚度较大,需对前后表面分别对准采集 ;二倍频晶体 、三倍频晶体 、BSG、防护片 、屏蔽片的厚度较小 ,可以在-个像面内完成拍摄),从而由图像分析得到终端光学元件的损伤情况。

终端光学元件损伤在线检测装置主要由成像系统、照明系统、姿态调整系统 、总控及数据处理系统 、数据库等部分组成 ,图 l为装置原理图。丁作时检测装置通过悬臂支撑装置送人靶室中心 :通过姿态调整机构逐次对准各路 IOM,成像机构对 IOM 中的光学元件进行逐-对焦 、拍摄 :通过数据处理系统对已获取图像进行处理后可 以得到终端光学元件的最新损伤数据 ,根据损伤情况对相应的光学元件进行替换 、修复等处理。

- - Vacuumwindow-t' tt BSG--/ f f trequency doubling crystal I[Focusing lensFrequency tripling crystal Debris shield ct dow- - - - - 。 。J ---- J -第 9期 冯 博 等 :ICF终 端光 学元 件 损 伤 在 线 检 测 装 置 的研 究 252该光学系统属于大视城、大变焦范围的高分辨率光学系统 ,为实现对各个光学元件的成像分辨率基本相同,需要在物距发生变化时 ,通过调整光学系统焦距来保持放大倍率的基本恒定。在检测防护片 、屏蔽片及透镜前表面时,检测系统的等效焦距为90-92 mn3;对真空窗 口、二倍频 晶体 、三倍频 晶体 、BSG以及透镜后表面进行检测时 ,由于透镜的影响 ,检测系统的等效焦距为 800~l 630mlTl。变焦距系统- 般通过多个镜组(变倍组 、补偿组)的移动来实现等效焦距改变。在焦距的变化过程中 ,像距不可避免的随着焦距 的变化而发生变化 。-般成像系统普遍采用光学补偿法或机械补偿法来减少或消除像面的移动[13-141。光学补偿法是通过将几个移动组固定在- 起做 同向运动实现补偿 ,而机械补偿法是将变倍组及补偿组进行不 同方 向、不 同速度的分别运动而实现补偿。机械补偿法对于运动组的运动精度要求较 高,但是可以实现连续的变焦[15 :光学补偿法对于移动精度的要求相对较低 ,但是仅仅能够实现几个离散的焦距值 ,在实用 当中限制较多。

为了提高光学系统调焦 、对焦精度 .简化系统结构 ,文中设计 了图 3所示的光机系统。检测光路由镜组 l、镜组 2与 CCD组成。镜组 l为固定组 ,与终端光学组件的距离保持不变;镜组 2为变焦组 ,搭载在- 维电动平台上 ,可实行轴向移动 。测量时通过改变其与 固定组间的距离实现变焦 ,进而维持系统放大倍率恒定 ;CCD也通过电动平 台驱动进行轴 向调整而实现对焦 。相对于传统 的变焦光学系统 ,该成像系统没有对像面移动进行补偿 ,而是直接将 CCD移动到新的像面上 ,该方法大大减少 了光学系统的复杂程度 ,提高了成像质量 。

Lens group 2(a)Lens group 1 Lens group 2 CCD(b)图3检测光路原理图Fig.3 Optical path of detecting mechanism文中采用 的 CCD像元 大小为 7.4 ixmx7.4 m,图 4(a)、4(b)是经过 畸变补偿 、色散补偿 、像差补偿(a)真空窗 口后表面成像 MTF曲线(a)MTF curves of the rear surface of the vacuum window口.宝苗鼍fb)屏蔽片前表面成像 MTF曲线(b)MTF curves of the front surface of the protection window口0 勺 。

目o 2皇吕o0Diameter ofcircle/mm(c)真空窗12I后表面成像能量分布(c)Energy distribution curves of the rear surface of the vacuum window口0 2g口o .2皇g00(d)屏蔽片前表面成像能量分布(d)Energy distribution curves of the front surface of the protectionwindow图 4 系统设 计结 果Fig.4 Design results of the optical detecting mechanism红外与激 光工程 摹42卷后真空窗 口后表面及屏蔽片前表面的 MTF曲线 ∩以发现 ,检测系统对透镜前及透镜后光学元件成像在频率 68lp/mm 处 的传递函数值均大于 0.4,成像质量良好。同 4(c)、4(d)为真空窗 口后表面及屏蔽片前表面的能量分布图,可以看 IJ,98%的能量均分布在 CCD 的 2x2像元内。系统对真空窗 口和屏蔽片之间的光学元件成像也均能达到上述指标 ,可以实现对损伤区域的高分辨率成像 。

1.2 姿态调整 系统设计神光-III原型装置”有 8路 10M 共 S6块光学元件 ,需要在打靶间隔期 内快速完成成像系统的姿态调整,使其指向被测 IOM。对 IOM 的 自动对准及切换是通过姿态调整系统 完成的,姿态调整系统包括环转机构 、俯仰微调机构 、翻转机构以及六 自南度机械手,如图 5所示 。

5姿 态 蒯 整 糸 统Fig.5 Positioning module环转机构主要 实现成像 系统的方位角调整 ,其运动范围为360。。由于空间限制及运动需要 ,成像系统及其俯仰机构被安装在环形导轨上 ,由环形齿轮带动进行环转 。俯仰微调机构的作用是调整成像系统光轴与终端光学元件的光轴平行。通过- 台高精度直线电机的伸(缩)驱动成像系统进行俯(仰)运动 ,俯仰角调整范围为±2。。翻转机构与其后部的六 自由度机械手刚性连接 ,由其内部的大功率 电机通过联轴器带动环转机构及成像系统进行 翻转运动 ,实现检测装置对靶 室上下半球检测的切换 ,翻转机构的运动范围为180。。六 自由度机械手用于调整成像系统的 、Y、Z空问位置 ,使其旋转中心位于靶室中心。

由于检测系统的物距较大 ,为保证被检光学元件有效T作区能够完整成像 ,俯仰微调机构 、环转机构 、翻转机构的运动精度 Ot需要满足 :仅≤arctan( arctan( ):13”㈩式中 : 为终端光学元件边缘 的非1 作区域长度 ;为检测系统像距。

2 实验结 果为了验证检测装置的1-作性能 ,文中进行了离线成像实验。实验在模拟靶撤境 的暗室内进行,避免了环境光干扰 ;被测光学元件南 808nnl波长激光照明 ,并模 拟神光-III原 型装置”终端 光学组 件光路结构排布。

通过鉴别率板对系统的分辨率进行了检测。罔6为系统分别对处于屏蔽片位置、BSG位置 、l二倍频晶体位置以及真空窗 口位置的鉴别率板所拍摄的图像。

通过观察可以发现 .四个位置分别呵以清晰分辨鉴别率板的第 9对 、第 7对 、第 4对以及第 对线 ,对应的分辨率分别为 101 tam、l13 txm、135 Ixm及 160 m。

(a)屏蔽 片位 嚣 成像 实验(a)Position of protection window(C)倍频位 鼹成像实验(C)Position of frequency triplingcrystalfb)BSG位 髓成 像实验(b)Position of BSG(d)真卒 窗 位 髓成像 实验d)Position of vacuum window图 6系统分辨率实验Fig.6 Distinguishability experiment of the system对带有损伤的 BSG进行了检测实验。图 7(a)为300 mmx300 mm 视场 的 BSG 检测 罔像 ,图 7(b)为图7(a)中四个不 同尺寸损伤点 的放大图片。其中标记为 1、2、3、4损 伤点的等价 直径分刖为 180lxm、85Ixm、51 m、288 m∩以看 ,系统对点 1、4可以清晰成像 .对点 2、3可以进行分辨。

§ 博 等 :ICF终 端 光 学 元件 损 伤 在 线 检 测 装 置 的 研 究 2523a)300mmx300mm 视场舶BSG 检 测 像b)图 7(a)中大 小的 损(a)Detection image of BSG (b)Four defects with diferentin 300 mmx300 mm size sizes in Fig.7(a)7 BSG 分辨 率 实验Fig.7 Distinguishability experiment of BSG为验证系统检测精度 ,通过数据处理 系统对图7中 7个随机损伤点进行了测量 ,将测量结果与损伤点在光学 微镜(分辨力 l m)下的测量结果进行 了对比,如表 1所示。试验结果显示 ,该检测 系统对验证点的检测率为 100%,检测精度优于 160 p.m。文中对图 2巾其他位置光学元件 均进行 了以上成 像实验,实验结果均满足设计要求。

表 1系统 检测 精度 验证 实验Tab.1 Examination of detection precision为了验证姿态调整系统的运 行精度及效率 ,对姿态调整系统进行了离线运行试验 ,试验结果如表2所示。实验结果表明各运动环节运行精度及运行效率均满足检测要求。

表 2姿态调整系统离线运行实验Tab.2 Off-line test of the positioning mechanism3 结 论文中对ICF系统巾终端光学元件损伤的在线检测方法进行 了研究 ,以神 光-III原型装置”的终端光学元件为检测对象设计 了 ICF终端光学元件损伤在线检测装置。针对神光-III原型装置”中终端光学元件的排布特点 ,采用变焦成像技术没计了-套大口径 、大视城 、大变焦 范同的高分辨率光学系统 ,实现了对终端光学元件 的高分辨率成像 。针对神光-III原型装置”中 IOM 的分布情况设计 了姿态调整系统 ,该系统可以快速实现光学成像系统的姿 态 、角度调整 ,完成对神光-III原 型装置”中 56块光学元件的自动对准。实验结果表明.在 1.8 2.8m的T作距离下 ,检测装置对 300mmx300inln光学元件 160 m 以上损伤点可以进行精确测量 ,对 60 Ixm以上的损伤点可以通过 图像处理方法进行分辨 :姿态调整系统各运动环节运行精度及运行效率均满足检测要求。

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