微米级光学光斑测量系统设计

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1、2010年第29卷第9期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)113微米级光学光斑测量系统设计时焕玲，裘祖荣，洪昕(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)摘要：微米级测量光斑是激光非接触共焦法测量核聚变微靶的一项重要指标。要使测量精度达到1m，测量光斑直径也应在微米级。根据激光高斯分布理论，设计加工了在GJ一Ⅳ共焦测头上实现微米级焦点光斑的光学系统进行了测量误差分析。通过实验和测试，激光测量光斑为10m，工作距离为20mm，测量精度为0．04％。

2、实验数据证明：设计的光学系统从测量范围、测量光斑尺寸、测量精度等方面均满足微靶球测量的要求。关键词：微米级测量光斑；光路设计；微靶中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)09-0113--03Dl1)qesi"g~nOnmi‘cron-leveloptilcCallilg~hlltsSpotmeasurementsystemSHIHuan—ling，QIUZu—rong，HONGXin(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasudngTechnology

3、andInstruments，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：Micron—levelmeasurementlightspotisanimportantquotaforconfocallaserwithnon—contactsmweyingmicro—targetinfusion．Thespotsizewasneededtobemicronleveltorealizeprecision1txmtheoreticalanalysis．Accordingtoth

4、eGuassdistributionoflasertheory，theopticalsystemofGJ—IVconfocalprobewasstudied，notonlyfromthestueture，butalsotheparameterinordertoachievemicron—sizefocusingspot．Erroranalysisofthemeasurementwasfollowed．Theexperimentshowedthatwhenthemeasuringspotsizewas10pLm，work

5、ingdistancewas20mm．measuringprecisionis0．04％．Itwasfullydemonstratedthatthedesignedopticalsystemsatisfiedtheneedofthemicro—targetmeasurement．Inmanyaspects，suchasmeasuringscale，measuringlightspotsize，measuringprecision，etc．Itcanpromotetheprogressoflaser—basednucle

6、arfusion，whichhadgreatpracticalvalue．Keywords：micron—levelmeasuringlightspot；lightpathdesign；micro—target0引言1测量光路原理微靶球是含有核聚变反应材料的薄壁球体，是激光核通用的共焦测头的基本原理是当激光器光源、被测聚变技术的一个关键元件，为使得多路激光束同时精确瞄物点和探测器三点处于彼此对应的共轭位置时，光源经过准微靶球以获得高激励能量和转换效率，微靶球在柱腔中物镜在样品表面聚焦成衍射极限的光点，其反射光沿原路的定

7、位精度要求准确。微靶球直径约200~500m，具有尺返回，再通过分光镜将来自样品的光信号导人共焦小孑L光寸小、刚度差、受力易变形等特性，因而，光学非接触测阑(针孔)内，通过扫描聚焦点在样品上的位置对样品进行量方法是确定靶球位置的首要方法。激光离焦法虽精成像。只有聚焦点刚好在样品表面时，光电接收器接收到度可达亚微米级，但是量程小，工作距离短。本文基于的光强最大，检测到的光电信号出现一个峰值电压。测量激光共焦测量方法具有精度高、测量范围大等优点，根时控制聚焦点与被测表面重合，保证探测器有最大输出，此据被测量对象的要求，设计

8、_『新的测量光路，经验证测量光时，利用微位移传感器测出使物点与被测表面重合的位移斑直径约为l0m，工作距离为20mm，在测量精度、量程上量。基本原理如图1所示。满足了对微靶测量的要求。收稿日期：2009—12-091l4传感器与微系统第29卷均为定值，则由公式(1)可得像方束腰半径∞。与透镜焦距F的关系，经计算得，只要选择的透镜焦