用于靶球测量的激光共焦测头稳定性研究

　　惯性约束聚变( Inert ial co nf inement fusion,ICF) , 又被称作惯性聚变或激光聚变, 是一种将包含核聚变反应燃料的微靶靶球在高温高压下压缩以产生巨大能量的方法。微靶球是激光核聚变技术中的一个关键元件[ 1] , 为了使多路激光束同时精确瞄准微靶靶球而得到较高的激励能量和转换效率, 因此精确地将它装配在一个固定的位置是重要的。微靶靶球是含有氘-氚燃料的薄壁球体, 它具有尺寸小( 外径D= 200~ 500 um) 、质量轻( m< 10- 2 mg) 、材料脆( 空心球壳, 壁厚t= 25 um) , 表面光洁度优于10 nm[ 2] 。由于微靶靶球具有上述一系列特点, 就决定了在微靶靶球的位置检测中需要用一种高精度, 非接触的测头进行测量。

　　由于保密的原因, 国外对核聚变靶标装配过程中的测量控制方法及靶标装配后靶球中心位置的测量方法的报道很少。目前, 公开发表的文献也仅涉及到靶球的材料、制作工艺及表面光洁度的测量等方面[ 3-5] 。而有关微靶的装配方法、装配过程中零件相对位置的检测方法、靶标装配件的误差及其测量方法的报道还没有被发现。

　　离焦法测头在焦点附近有很高的灵敏度, 这种测头的测量范围相对较小[ 6-8] 。与传统的离焦法测头相比, 论文研究的动态主动调焦法测量系统具有较高的测量精度、较大的测量范围以及优良的动态特性, 更重要的是它可以测量具有强反射表面的高精度金属件和光学件, 解决了形貌检测领域的一个难题[ 9] 。鉴于此, 我们研制了共焦测头这种动态主动调焦法测头, 并准备将其应用到微靶靶球中心位置的测量中。

　　1 工作原理

　　1. 1 共焦测头测量原理

　　基于时间差法的共焦式测头测量原理如图1 所示。光源1 发出的激光束聚焦在被测物体4 的表面, 经物体表面反射的光通过分光镜2 聚焦到小孔光阑7, 光电探测器8 将采集到的光信号转换为电信号输出到后续的信号处理电路中进行处理。光路中, 反射面4 和小孔光阑7 处于整个光学系统的共轭位置, 反射面4 的运动即为被测物体所处的不同位置。振动部件音叉6 用来调整光学系统的焦平面位置。当焦平面正好位于反射面4 时, 光电探测器8 的接收光信号最强, 此时输出的电信号也为峰值信号。

　　如图2 所示, 音叉振动过程中, 光学系统的焦点随之作相应运动。因此, 聚焦点的位置△c决定于透镜的位置变化△0。如式( 1) 所示[ 10] 。

　　1. 2 时间差法测量原理

　　前面已经提到了该共焦测头是基于时间差法进行测量的, 下面就来介绍时间差法的测量原理, 如图3 所示。

　　图3 所示即为基于时间差法的共焦测头的测量原理示意图。图中所示$t 即为被测表面位置距平衡位置的偏移量所需要的时间差。将该时间差△t 代入音叉振动透镜方程△0 = A sin w0 △t ,将得到的△0 代入式( 1) 即可得到被测表面的位置变化。