激光靶散射光观测镜杂散光抑制研究

　　1 引 言

　　激光靶心散射光观测镜用于观测激光核聚变打靶实验中的散射光信号。散射光观测镜的信号光相对靶球内残存的大量的三倍频光、二倍频光以及基频光来说较弱，同时其成像质量还可能受光学系统鬼像的影响，因此，为确保系统的成像质量，必须对系统进行杂散光分析。为消除非成像光束的影响，传统的方法是：先用作图法设计遮光罩和挡光环[1-2]，然后正向追迹不同入射角的光线，看其能否到达像面[3]。通过几次调整优化，最终得到遮光效果较好的设计结果。这种方法应用广泛，适合于大多数光学系统。但是在该方法中，先设计遮光罩的针对性不强，光线追迹繁琐，容易因不连续造成遗漏。本文提出一种非成像光束的逆向追迹法，利用该方法分析了非成像光束杂散光，并对系统进行了鬼像分析。而后有针对性地设计了有特殊要求的内外遮光罩，并对设计结果进行了软件模拟。

　　2 光学系统杂散光来源

　　光学系统为折反式光学系统，如图1 所示。成像光束路径为1→2→3→4→5→6→7。光学系统杂散光的来源可以分为：1) 非成像光束引起的像面亮背景;2) 成像光束散射、衍射、寄生反射等产生的非定向杂散光。对背景杂光较强的系统来说，第一类杂散光较强，但有一定的方向性，通过光线追迹可以找到到达像面的非成像光束，然后设计合理的遮光罩和挡光环将其拦掉。第二类杂散光较弱，其中危害最大的是光学元件表面反射产生的鬼像。下面对两种杂散光分别分析。

　　2.1 非成像光束杂散光

　　非成像光束到达像面会在像面形成亮背景，影响成像对比度，严重时可能淹没信号。为找出到达像面的非成像光束，这里提出一种逆向追迹法：依据光的可逆性，设置像面为点阵面光源，每一点都发出充满系统孔径的光束，在物面设置足够大的探测面，使之有充足的余量记录所有到达物面的光线。在物面上去除成像光束，剩下的就是非成像光束。利用该方法，可以直观地反映物方有那些空间区域的光线能够到达像面。逆向追迹结果如图 2 所示，从图2 可以看出，到达像面的光线在物方明显分为三个区域：中间的亮点为目标靶点，两个亮环为物面上非成像光能够到达像面的区域。

　　下面分析两个亮环的形成原因。通过放大追迹模型发现：有些光线在主、次反射镜之间来回反射两次到达物空间，可以肯定这是一种杂散光来源。另外发现：有些光线通过主反射镜中间的圆孔后，没有经过次反射镜反射到主反射镜，而是直接经透镜折射进入物空间，这是另一种杂散光来源。通过进一步的追迹，得出这两种杂散光的光学路径分别如图 3、4 所示。这些光线在物面上投影为两个圆环。