基于光学干涉及层析技术构建ICF靶丸D/T 层三维密度场信息的研究

In the experiment of inertial confinement fusion (ICF), the controlling and measurement of DT layer's density distribution in cryogenic targets plays an important role in successful ignition. This project will achieve reconstruction of three-dimensional density field of the DT layer inside ICF cryogenic targets on the basis of optical interferometry and tomography. Firstly, in accordance with the tiny size of cryogenic targets and wavefront distortion of the output beam, an innovative optical system for obtaining density distribution information from cryogenic targets is proposed, which applies optimized compensatory convergent-beam to realize minimization of output beam's wavefront distortion and high sensitivity. Moreover, a lateral shearing interferometer consisting of two-dimensional cross grating and four-window spatial filter is presented, which is designed to be common-path anti-disturbance and structurally compact for the purpose of rotational sampling on different projection angles. Also, using methods like Fourier optical information processing and differential Zernike polynomial fitting, the wavefront information of output beams can be obtained from lateral shearing interferograms. Finally, with the projection data on all projection angles of different cross-sections, we are capable of reconstructing two-dimensional refractive index distribution of the corresponding cross-sections inside cryogenic targets using optical tomography and algebraic reconstruction technique (ART). A three-dimensional spatial density distribution of cryogenic targets can also be obtained if we link the refractive index to its corresponding substances. Meanwhile, as the measuring condition of cryogenic targets characterization limits the projection angle, a modified ART will be investigated to increase testing accuracy and rate of convergence. This study will provide important research foundations and experimental methods for density field testing in our country's ICF project and hypersonic aerodynamic research.

惯性约束聚变（ICF）中，靶丸中氘氚 (D/T)燃料密度分布的控制和检测是实现成功点火的重要参数。本项目基于光学干涉及层析技术实现ICF靶丸D/T层空间三维密度场信息重构。首先针对微球尺度及出射波前畸变的情况，创新性地提出了微球密度分布信息获取的补偿会聚光优化光学系统建模，实现出射波前畸变最小化及高灵敏度。将研究一个共路抗干扰、紧凑适于旋转投影采样的二维交叉光栅与四窗口空间滤波器组成的横向剪切干涉系统，通过傅里叶光学信息处理及差分Zernike多项式拟合研究重构波前信息。最后为获取微球空间三维密度场，利用光学层析技术依次将其每个截面上各个投影角度数据提取后分别进行代数迭代法ART重构建模，得到不同截面上二维折射率分布。同时针对微球检测条件使投影角度受限情况，对ART算法进行修改，提高算法精度和收敛速度。该研究可为我国ICF工程、高超声速空气动力学密度场信息检测提供重要的研究基础。

惯性约束聚变（ICF）中，靶丸中氘氚（D/T）燃料密度分布的控制和检测是实现成功点火的重要参数。光束通过待测物体后，光束波前位相携带了待测物体内部的折射率分布信息，通过光学干涉技术获得多个方向光通过待测物体后的波前位相信息，再结合层析技术便可重构出待测物的三维折射率信息。该研究可为我国ICF工程、高超声速空气动力学密度场信息检测提供重要的研究基础。.项目组按照研究计划经过四年的研究，达到了预期研究目标，主要研究成果包括：.对ICF靶丸密度分布信息获取光学系统进行了优化设计，提出了更符合实际测量条件的对称补偿式波前信息获取光学系统，并分析了适应于不同测量对象的波前位相重构算法。.建立了共光路的交叉光栅横向剪切干涉（CGLSI）波前检测系统，并对系统中光栅栅距、级次选择窗口、剪切率等关键参数进行了讨论，通过和ZYGO干涉仪对同一块平行平板测量结果对比，论证了交叉光栅横向剪切干涉系统具有很高的测量精度和可重复复性。.针对交叉光栅横向剪切干涉系统中存在级次选择窗口导致系统结构复杂、光路调节困难以及动态范围小的缺点，项目组提出了新颖的随机编码混合光栅横向剪切干涉系统，其Fraunhofer衍射级次只在两个正交方向上产生±1级衍射光，且成像位置不受Talbot效应限制，具有剪切率连续可调的优点。研制了基于REHG的波前传感器，建立了集干涉图采集、保存、波前重构以及振镜控制为整体的软件程序包。.靶丸的正向光线追迹是ART逆向优化算法的关键步骤，提出了一种基于龙格库塔法和Snell折射定律的光线追迹改进算法，以提高冷冻靶丸中光线追迹的精度。.为了获取与密度场相关的靶丸三维折射率场，模拟微小尺度的ICF冷冻靶丸的检测过程，项目组采用人血红细胞作为研究对象，设计并搭建了四波前横向剪切干涉三维折射率场重构原理性实验系统。由于系统中采用振镜偏转改变入射光角度，投影角度受到限制，提出了一种引入先验信息的迭代约束滤波反投影算法来提高重建精度，实现了红细胞的三维折射率分布重构，获得了预期的实验结果。