成像型VISAR系统中激光散斑抑制方法

纪腾++徐涛++理玉龙++王峰++范乃吉++江少恩++张保汉

摘 要：成像型VISAR系统是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式，所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的影响。该文介绍了该系统的激光散斑形成的原因和散斑对速度分析的影响，提出了使用多模光纤束替代单根多模光纤耦合探针激光的光瞳照明方法，并对该方法进行了验证。结果表明，该方法对影响条纹图的散斑具有较好的匀滑效果，明显改善了扫描条纹的分裂情况。

关键词：成像型VISAR 激光散斑 多模光纤 光瞳法

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0243-04

成像型任意反射面速度干涉仪（Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR）可用于诊断透明材料中冲击波速度，已成为神光系列激光装置中冲击波速度历程测量的主要设备。通常使用多模光纤将外置主动式探针激光耦合进入系统光路，从而实现照明目标靶面的功能。由于激光具备很高的时间和空间相干性，会在照明靶面时引入散斑。散斑有两个来源：一是粗糙靶表面不同位置对相干光引入不同的位相，导致反射后形成干涉，形成无规则的散斑分布；二是多模光纤不同模式之间存在光程差别，使得多模光纤输出端面位置形成散斑。这些散斑通过系统的成像放大，会直接影响速度条纹图的记录，对测量是有相当危害的，特别是当散斑颗粒暗区与亮区的尺寸接近时（表征为散斑雪花样颗粒很大），会造成速度条纹图在速度变化位置断裂、速度条纹分裂等，使得速度变历程起点模糊不清，并影响测速的精度。

该文提出一种使用多模光纤束替代单根多模光纤耦合探针激光的光瞳照明方法，它利用不同光纤个体输出的散斑分布存在差异的特点，使不同光纤输出的照明激叠加在靶面位置，形成匀滑的照明分布，将散斑颗粒减小，从而减弱散斑对于速度条纹图的影响，改善图像质量并相应提升测速精度。

1 成像型VISAR光路及改造

在神光系列装置上，成像型VISAR系统的光路如图1所示，该系统本质是一个照明结构、成像结构与马赫-曾德干涉仪的耦合系统。探针激光经由光纤耦合进入照明结构，并将光纤端面成像到靶面从而形成照明，靶面反射光线后经2次成像到条纹相机的狭缝上，而靶面的速度信息则通过干涉仪形成多普勒混频条纹（靶面未移动时为干涉条纹）传递到记录条纹相机狭缝上。

为实现多光纤的照明区域重合，需改变原有将单根光纤端面直接成像到靶面的方法（端面法），而采用一种光瞳法的照明光路设计。其基本思路是利用一个耦合透镜将光纤束耦合进入照明光路，使之成为平行光，在平行光路的适当位置设置一个大小合适的实光阑，此光阑处于光纤束端面的光阑限制位置，此时，在无渐晕条件下，每根光纤耦合出的光束将会填满此光阑；将此实光阑通过后续成像透镜成像到靶面，这样通过像传递关系，使得上述多种光束在靶面位置完全重合。使用的光路示意如图2所示。通过光学设计软件Lighttools模拟传统光路和改进后的光路，获得了靶面位置两种照明的均匀性比较结果，如图3所示。

2 实验设计及验证

为验证光瞳法的照明效果及对实验影响，采用19根长度10 m、na=0.22、芯径0.25 mm的多模光纤紧密捆扎成一根光纤束，端面直径约为1 mm，替代原有长度10 m、na=0.35、芯径1 mm的单根多模光纤，并根据光路相应设计了耦合镜头及成像镜头。利用光束分析相机记录了光纤端面直接成像到靶位置及利用光瞳法后靶面位置的光斑分布。从实验结果来看，采用光瞳法后，光斑分布起到了匀滑效果，散斑颗粒明显减小。

将此方法移植入激光装置的成像型VISAR系统中进行物理实验考核。利用抛光铝作为靶反射面，将探针激光耦合进入光纤束后传递至靶表面，利用条纹相机记录静态时形成的干涉条纹。探针激光波长532 nm，脉冲宽度为20 ns，最大输出能量为2 mJ，采用10 ns的扫速档进行扫描。靶大小为1 mm，反射率>80%。利用工业级CCD记录干涉仪后的条纹结果，如图4所示，使用光瞳法照明后，条纹内部的散斑颗粒直径明显减小，对单根条纹的破坏程度也就明显减弱。利用条纹相机扫描后的结果如图5所示，可见散斑造成的影响明显有变化，图5左边是端面法的扫描条纹，右边是光瞳法的扫描条纹。由于端面法中散斑颗粒太大，导致条纹被分裂成两根或多根的情况较多；而光瞳法中，散斑颗粒变小后，条纹分裂情况明显改善，在某些照明良好的空间区域，扫描条纹基本能保持完整，这样在动态扫描时，条纹跳变位置及变化趋势会清晰地呈现到记录结果中。

3 结语及展望

文章论述了利用多根光纤组成的多模光纤束及光瞳照明的方法及其实验结果。结果表明：此方法对于由多模光纤造成的散斑具有较好的匀滑效果，扫描条纹的分裂情况得到了改善，这对于速度历程测量的精度提高是具有好处的。

不足之处在于：相比于单根大芯径的多模光纤，多模光纤束单根芯径较小，且由于包层的原因互相之间不能完全紧靠，这会导致耦合效率相對较低；如果采用无包层设计，则会导致光纤之间的光束串扰，导致光束能量损失；由于使用了多模光纤束，每根光纤的长度是不能保持完全一致的，例如10 m长的光纤，纤纤之间可能有±10 mm左右的长度误差，这个因素可能影响测速的准确性，但暂时还未评估。

参考文献

[1] 常宏.激光显示中散斑抑制和主观散斑跟踪的研究[D].中国科技大学，2010.

[2] 彭晓世，王峰，刘慎业，等.成像型任意反射面速度干涉仪研制[J].光学学报，2009，29（11）：3207-3211.

[3] 徐涛，王峰，彭晓世，等.成像型任意反射面速度干涉仪系统的光学系统设计[J].光学学报，2011，31（7）：216-221.

[4] 王峰，彭晓世，刘慎业，等.成像型任意反射面速度干涉仪数据处理方法[J].强激光与粒子束，2009，21（5）：709-713.