激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

　　0　引言

　　在惯性约束激光聚变研究中,需要先测定冲击波速度、应力、质点速度等参量,再结合一定的理论模型加以分析,来研究物质的特性及其微观机制[1-2].参量的测量是通过一个靶心成像光学系统以及相应的相机来完成.成像光学系统要求的工作波长范围为:200~800 nm,在200 nm端,普通光学玻璃的透过率不能满足成像要求,在特种光学玻璃范围内,国内能满足200 nm端透过率要求的光学玻璃种类很少.但是,要在工作波段200~800 nm范围内消色差,必须选择不同色散系数的玻璃,因此透射式光学系统难以满足系统要求.本文采用对称反射式光学系统,克服了上述难点.为易于加工降低成本,反射面全部采用球面,对称结构有利于消除系统慧差,引入适当的折射元件组成折反式光学系统,有利于消系统球差和轴外像差,提高系统成像质量.折反式光学系统满足了系统要求.激光靶心冲击波观测镜研制时分三个倍率:1.5倍、5倍、10倍.其中5倍、10倍物方分辨率要求为8μm ,物方数值孔径为5(±10%),设计难度不大于1.5倍.

　　1　光学系统技术要求

　　本光学系统的技术参量为:工作波长:200~800 nm;放大倍率:1.5倍(±10%);物方分辨率:<20μm;物方F数(f/D):10(±10%);视场范围:>2 mm;靶心观测镜的最大外径:<200 mm;靶心观测镜前端面到物点距离:>300 mm;靶心观测镜后端面到像点距离:>500 mm;靶心观测镜后端面到物点距离:约1 200 mm.

　　2　系统选型

　　光学系统工作波段为200~800 nm,在200 nm端可选择的玻璃较少,如果采用折射系统,校正色差较困难,而使用的透镜过多,靶心观测镜的质量就会过大.因靶心观测镜需要伸进靶球内部的真空环境中使用,靶心观测镜是典型的悬臂梁结构.为减小变形保证像质,不允许质量过大.若采用反射镜,对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求,光线不需透过材料本身,色差问题就可解决,但是全部采用球面反射镜难于消系统球差和轴外像差,所以系统选择折反式光学系统[3-4].为便于消除轴外像差,采用对称结构,系统光阑设在中间.来自物体的光线经前组光学元件变成平行光,然后经后组光学元件成像在像面上.

　　3　光学系统设计

　　3.1　初始结构计算

　　光学系统可等效为一个理想的单镜片(图1),根据成像公式

　　式中φ1=1/f′1,φ2=1/f′2,t为两组光学元件的间距,初始取t=310 mm.图2中两组光学元件之间为平行光,所以α=β,因为物像高比例为-1/1.5,由几何关系得:-f1/f′2=1.5.

　　计算可得,f′1≈163.2,f′2≈244.8或f′1≈516.8,f′2≈775.2,两组数据均可作为起点计算,但第二组数据较大,对系统套样板不利(一般半径大的样板较少),这里以前组数据为起点.