国家天文台：任意反射面速度干涉仪与高温辐射计的研制

VISAR和SOP系统的基本原理

任意反射面速度干涉仪（VISAR, Velocity Interferometry System for Any Reflector）与高温辐射计（SOP, Streak Optical Pyrometer）在聚变物理，材料科学和实验室天体物理研究中发挥着重要作用。VISAR是基于多普勒频移和光学干涉技术将速度信息转化为干涉条纹的相位信息，通过求解条纹的移动可以获得速度演化历史；SOP是基于普朗克黑体辐射的假设，将压缩材料的自发光强度转变为普朗克黑体辐射的亮温。

在直接驱动的聚变方案中（例如双锥对撞点火方案），燃料不均匀压缩引起的流体力学不稳定性会严重影响后续内爆物理过程，极大地制约点火的成功。如何在实验中抑制流体力学不稳定性并获得更高的燃料压缩密度是直接驱动研究的一大热点。不均匀压缩会引起聚变燃料的压缩速度、辐射温度发生改变，因此利用VISAR和SOP获取燃料速度和温度信息的时空演化过程可以反映燃料压缩阶段的均匀程度。

神光二号升级装置上VISAR和SOP系统的设计、搭建和应用

国家天文台天体丰度与星系演化研究团组在上海神光二号升级装置上搭建了一套紧凑型的线成像型VISAR和SOP系统，可以同时给出物理目标的速度信息和温度信息；该系统具备高时空分辨本领和速度分辨本领等特点；光路中采用四分之一波片与偏振分束镜相耦合的照明方式，提高了VISAR激光的能量利用率和数据图像的信噪比。在双锥对撞点火方案的验证实验中，利用该诊断系统成功测量到了多激波产生和追赶过程，同时给出激波的速度、数量以及温度信息等。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第1期的文章(Dawei Yuan, Shaojun Wang, Huigang Wei, Haochen Gu, Yu Dai, Jiayong Zhong, Yutong Li, Gang Zhao, Jie Zhang. Design, performance and application of a line-imaging velocity interferometer system for any reflector coupled with a streaked optical pyrometer system at the Shenguang-II upgrade laser facility[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2024, 12(1): 010000e6)。

图1 条纹高温与VISAR测量系统（a）系统光路图，包括VISAR光源、照明光路、成像系统、马赫-曾德尔干涉仪和条纹相机探测器五部分；（b）整个光学系统集成后的示意图

该系统的光路设计如图１所示，包括VISAR光源、照明光路、成像系统、马赫曾德尔干涉仪和条纹相机探测器五个组成部分。整个系统位于神光二号升级装置靶室下方，光程约为10 m，集成在1.8 m×1.2 m的光学平台上。典型的性能参数如图２所示，实验中采用地照明光斑大小为500 μｍ（大小可调），空间分辨率优于7 μｍ，整个SOP系统的温度响应曲线近似为线性，时间分辨本领优于100 ps（扫描挡位20 ns）。

图2 条纹高温与VISAR测量系统地典型地性能参数（a）照明光斑尺寸为500 μｍ,（b）采用7 μｍ的分划板标定系统空间分辨率，（c）SOP光路的温度响应关系，（d）静态条纹的时间扫描（20 ns扫描挡位）

图3所示是利用VISAR和SOP系统测量平面复合靶（20 μm CH+200 μm SiO₂）内多激波序列的产生和追赶过程。三个激波分别来自于加载激光的三个脉冲，脉冲强度与激波强度呈正相关，即脉冲强度越强，激波速度越大，辐射温度越高；另外，三个激波在空间维度上的均匀性非常好，即均匀压缩。我们的实验结果表明：直接驱动研究中，通过调节加载激光参数（如脉冲序列和相对强度）可以精确调控压缩激波的数量和相对强度，从而得到获得更高的燃料密度压缩。

图3 平面靶内多激波序列的产生和追赶过程测量 （a）VISAR 测量获得三激波形成的数据，（b）SOP测量获得三激波对应的辐射温度，（c）VISAR数据反演后获得的三激波速度的演化历史

总结与展望

神光二号升级装置上的VISAR和SOP系统已经用于双锥对撞点火的实验研究中。未来会进一步升级改造，将线成像型VISAR系统升级成面成像型VISAR系统，可以直接给出压缩材料二维速度场信息，更好的反映压缩阶段的均匀性问题。

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