神光-Ⅱ装置配套速度干涉仪

　　材料的高压状态方程在材料科学、地球物理、凝聚态物理、等离子体物理及惯性约束聚变(ICF)等领域都有广泛的应用。利用高功率激光驱动的冲击波是获得TPa高压下状态方程参数的主要实验手段。用于任意反射面的速度干涉仪(VISAR)[1-3],是冲击波传播相关的各种物理实验的主要诊断仪器[4-8]。国内从事VISAR技术研究的单位主要有中物院流体物理研究所,其记录系统采用的是光电倍增管和示波器[9]。该系统只能进行单点测量或多点测量,空间分辨能力较差。浙江大学也有人进行过VISAR测试技术的研究[10]。中国原子能科学院也建立了一套OVISAR[11]。本文介绍了神光-Ⅱ装置配套线成像速度干涉仪的研制及初次应用。该仪器的时间分辨力可达约20 ps,空间分辨力高于10μm。并在神光-Ⅱ装置上进行了动态打靶实验,测得了CH中冲击波波阵面的传播速度。

   1　实验排布

　　实验光路排布如图1所示。探针激光通过一块半透半反镜引入诊断光路,探针激光通过扩束系统和成像镜L1后在靶面辐照区域的尺寸约2 mm(驱动激光在靶面辐照区域的尺寸约1 mm)。探针光用的是脉冲式激光,波长为660 nm。采用脉冲激光主要是利用它的高功率(约60 kW),因为靶面一般都是漫反射面,反射回来的激光强度会比入射激光强度小几个量级,普通的连续激光器功率太低,从靶面反射回来的激光强度太低,条纹相机记录不到信号。选择660 nm波长的激光做探针光,主要是因为该波长远离实验中的打靶激光的波长(1ω:1.053μm,2ω:0.53μm),更有利于将探针激光和打靶激光进行分离,提高实验图像的信噪比。L1是收集透镜,用于收集和准直靶背面反射回来的探针激光。L2和L3是一对共焦透镜组,用于像传递。成像镜L4将靶面成像到干涉仪的一块分束镜(BS2)上,这一节成像系统的放大倍数约10。成像镜L5将一次像面放大约1.2倍后成像到条纹相机的狭缝上。整个系统的放大倍数约12,这一放大倍数是和诊断设备的接收面积(条纹相机)相匹配的。我们将大部分的光学件(干涉仪部分)和激光器都放置在一个高度稳定抗震的光学平台上,这样能大大提高整个系统的稳定性,增加干涉条纹的稳定性。

   2　干涉仪介绍

　　综合考虑了物理需求、光路调节的难易情况、光学元件的成本等因素,确定了干涉仪的结构如图2所示。图中平行光管用来辅助监测干涉仪中两反射镜M1,M2和两半透半反镜BS1,BS2的平行。接着,通过控制高精度步进电机移动末端反射镜(M1),可以精确地将M1移动到指定位置(该电机的移动距离为50 mm,精度为1μm),实现干涉仪的两臂等光程,获得白光干涉条纹。只要调节出白光干涉条纹,就表明干涉仪两臂是等光程的,其误差小于10μm。然后加入标准具(一块双面平行的玻璃),应该选用热稳定性好、硬度大、膨胀系数小、化学稳定性好的材料来制作。最后通过步进电机移动末端反射镜M1,移动距离为d=h(1-1/n)(其中h是标准具的厚度,n是标准具的折射率),使得表观光路不发生变化,但却引入了一个光程差[12],其大小为