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非相干光全息成像技术与透射光栅谱学

曹磊峰  
【摘要】: 本文致力于研究非相干光全息成像技术与透射光栅谱学,及其在ICF实验研究中的应用。 对非相干光全息成像技术的理论问题进行了较为全面的探讨。深入研究了非相干光全息成像技术全息图的重建技术,给出了二维目标非相光全息成像全息图的通用重建方法;深入讨论非相干光全息成像技术的三维重建问题的基础上,给出非相干光全息成像技术实现理想三维重建的必要条件。 进一步研究了波带片编码全息成像技术,提出组合Gabor波带片编码全息成像技术的建议,并作了相关计算机模拟。分别利用四种不同的Gabor波带片作为编码孔对同一目标成像,通过综合分析成像结果可以将非相干光全息成像技术中无法避免的非聚焦赝像有效消除。初步的计算机模拟印证了我们的设想,同时还表明,这种新的波带片编码全息成像技术突破了传统波带片编码全息成像技术z向(深度方向)分辨率的极限。 首次将非相干光全息成像技术应用于国内的ICF实验研究,在神光Ⅱ装置首轮内爆物理实验中,激光聚变热核反应区域被看作一个低通量辐射的α粒子光源,利用研制的α粒子Fresnel波带片相机获得了国内第一幅激光聚变热核反应区域图像。图像给出了内爆压缩均匀性、对称性、压缩比等直接信息。 探讨了激光聚变研究中的超热x光成像问题,研制了超热X光Fresnel波带片编码相机。利用该成像系统在神光Ⅱ装置黑腔物理实验中首次获得了腔内超热X光发光区域空间分布图像,图像反映了腔内超热电子行为区域的空间分布特征。实验中,充分利用了超热X光的强穿透特征和Fresnel波带片编码全息成像技术的高灵敏度的优势,首次尝试了不开诊断孔的情况下对厚壁(20μm)金腔内部等离子体发光行为直接诊断的技术。 探讨了X光环孔编码全息成像技术在ICF实验研究中的应用。利用计算机模拟与实验相结合的办法对该项技术进行了研究。研制了环孔编码全息成像系统的关键元件,结合其他成像设施,基于星光Ⅱ实验装置获得了高分辨的激光等离子体X光图像。为该项技术在ICF实验研究中的应用作好了初步准备。 提出将Gabor波带片编码全息成像技术应用于激光聚变研究的建议,研制了首片微结构二值化Gabor波带片及其配套成象系统。在星光Ⅱ实验装置上,初步探索了ICF研究中基于Gabor波带片编码全息成像技术的X光层析技术,获得了具有层析分辨的激光等离子体X光图像。为进一步开展相关研究及在ICF研究的应用打下良好基础。 非相干光全息成像技术与透射光栅谱学 开展了关于透射光栅谱学问题的细致研究。利用Fourier展开的办法对透射 光栅的衍射现象进行了分析,认为传统透射光栅可以看作空间无限大的透射光栅 叠加了一个矩形窗口,其衍射模式主要由这个窗口决定。随后,基于 HuygensFresnel衍射理论,利用数值模拟的方法对传统透射光栅的衍射模式进行 了认真研究。 理论研究的基础上,提出了的余弦窗日正弦透射光栅的概念。理论研究与计 算机模拟表明,就透射光栅谱学研究的应用而言,这种概念上的新型光栅的衍射 模式比传统透射光栅优越得多:无高级衍射,无次级衍射峰,同时,无论是在衍 射的Fresnel区还是Frauhofier区,其主衍射峰总能保持理想光滑的形状。余弦 窗口正弦透射光栅的这种特征,将可能大幅度地提高透射光栅谱学的摄谱精度与 信噪比。 利用控制随机针孔阵列密度分布的办法,可以制作出透过率函数与余弦窗口 正弦光栅完全一致的软X光透射衍射光学元件,我们称之为软X光谱学光子筛。 软X光谱学光子筛概念的提出,有可能使余弦窗口正弦光栅的概念实用化,在 软X光透射光栅谱学当中得到真正的应用。软X光谱学光子筛与传统透射光栅 相比,具有优越得多的衍射特征以及非常确定的衍射效率,利用这种元件替代透 射光栅进行ICF研究中的软X光谱学研究,将摆脱高级衍射和次级衍射峰的干 扰,大幅度提高实验数据的精密度与信噪比。


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