神光-Ⅲ原型装置用速度干涉仪的光学系统设计

　　1　引　言

　　任意反射表面干涉测速系统(Velocity　Inter-ferometer　System　for　Any　Reflector，VISAR)[1-2]是一种基于光在运动物体表面反射产生多普勒频移效应进行测速的速度干涉仪。在国外，VISAR被广泛用于惯性约束核聚 变 (Inertial　Confine-ment　Fusion，ICF)研究[3-6]，是最近几十年内发展起来的最重要的波剖面测试设备，常用于物质高压状态方程实验[7]、材料特性实验[8-10]、冲击特性瑞利-泰勒实验、脉冲整形实验[11]等。国内随着ICF研究的不断深入以及大型激光驱动器的建立，已通过对冲击波整形实现了燃料的等熵压缩，目前特别需要研制适用于ICF冲击波研究的VISAR，以便开展脉冲整形等一系列实验研究。

　　依据“神光-Ⅲ原型装置”实验需求，本课题组研制了一套成像型双灵敏度 VISAR。本文重点介绍了光学系统设计中若干关键技术问题;论述了系统防辐射设计的方法，通过合理选材，保证了系统的防辐射性能;分析了杂散光的主要来源，通过反射镜过滤和激光线性滤光片的组合，有效滤除了系统杂散光;针对系统光学零件繁多、分布过于零散的特点，提出了模块化设计方法，设计了光学铰链用以模块高精度对接，简化了系统调试的程序;讨论了干涉仪模块的结构，给出了零光程差调试的方法。最后对系统进行了静态实验，获得了较好的实验结果。实验结果显示，设计的干涉系统干涉条纹平直、调制度高，物方分辨率达到5.3μm。目前，该系统已在动态实验中获得成功。

　　2　光学系统设计

　　本文设计了 VISAR 系统，系统在神光-Ⅲ原型装置上的安装如图1所示。靶室半径为1　200mm，系统物方数值孔径为0.22，光学平台尺寸为2　400mm×1　200mm，物方视场范围为1mm，工作波长为532nm，物方分辨率为5.3μ，光路总长为6　288mm。5×成像系统安装在靶室法兰上，其自身具有手动瞄准调节机构;系统的其它部分安装在光学平台上，系统的光路总图如图2所示。

　　照明激光(532nm)从芯径1mm 的光纤出射后首先经L11预收缩，再依次经过补偿镜COM2、1∶1分束镜BS1之后到达 M2，其中在BS1处照明激光被反射掉一半能量;透过BS1的光被 M2垂直向上反射，经 M1再次反射后到达真空密封玻璃窗;然后光束经过L2被准直，经过L1和保护玻璃后汇聚在目标靶位置，对目标区域均匀照明。L11，L2和 L1共同组成一个1∶1成像系统，照明区域仍为1mm。

　　从目标后向散射的照明激光仍由L1收集，并原光路返回;在 BS1处被分束，透射光传输到光纤端面而损失掉，反射光到达1∶1分束镜 BS2;BS2将光束再次分为两束，分别进入干涉仪支路一和干涉仪支路二。L1和L2组成一个5×放大系统，将目标靶放大成像，其像面IP1分别位于支路一的 M4和 M5之间，支路二的 M7和 L5之间。在两个支路中，光束经过一次像面后，被干涉仪前置镜(L3，L5)准直;从干涉仪出射的光，被干涉仪后置镜(L4，L6)会聚在各自的二次像面IP2位置。二次像面相对一次像面而言，是一个1∶1成像系统。为了便于像面与条纹相机的对接，在二次像面之后设计了中继成像光学系统。在两个支路中，经过IP2的光束首先被一组镜头(L7，L9)准直，然后分别经一组反射镜(M12和 M13，M14和 M15)将光路导入上层，并被另一组镜头(L8，L10)成像在条纹相机狭缝位置。中继光学系统通过更换L8，L10可以实现1∶1或1∶2中继成像。