成像型速度干涉仪

　  在冲击波诊断领域,任意反射面的速度干涉仪(VISAR)技术已经成为诊断冲击波作用下样品自由面速度剖面或粒子速度剖面的主要技术[1],主要用于材料的高压状态方程研究和冲击波作用下材料物态响应特性研究。针对超高压条件下时空分辨冲击波诊断技术的需求,国外发展了新型VISAR技术。该技术在传统VISAR技术的基础上进行了改进:将收光部分改为成像系统,从而使靶空间信息被完整地记录下来,从而使该系统具有了空间分辨的能力;记录系统使用条纹相机,其时间分辨为ps量级,从而能够诊断高速冲击波信号,现已用于超高压状态方程研究等多个领域[2-4]。国内从事VISAR技术研究的单位主要有中物院流体物理研究所[5],其记录系统采用的是光电倍增管配示波器。该系统无空间分辨,其对VISAR的研究主要向高灵敏度(低条纹常数)和全光纤VISAR方向发展。中物院流体物理研究所还发展了多点VISAR技术[5],使其具有了一定的空间分辨能力。此外,中国原子能科学研究院的路建新等人也建立了一套光学记录速度干涉仪系统(ORVIS)[6]。浙江大学杨甬英教授等人也进行过VISAR技术的研究[7]。

　  本文将成像型对VISAR系统的整体光路和性能进行介绍和分析,对各个组成模块的基本性能参数进行了比较详细的介绍。同时,也对拍摄得到的静态靶干涉条纹图的照片进行分析,从而为该技术的进一步发展提供参考数据。

    1　光路系统介绍

    1.1　光路介绍

　  整个系统的实验装置如图1所示。探针光发出的激光通过多模光纤进入实验系统,光纤输出的激光通过透镜扩束,进入成像系统聚焦后,打到靶上,靶反射的光重新被成像系统收集,并被分光进入两套光路。成像系统前面与靶之间的石英玻璃用来保护成像系统的透镜不被实验产生的碎片损伤。为了减小光路的长度,将成像系统的像面设计在干涉仪之前,从而能够进行下次的像传递。靶点的像在进入干涉仪之前进行扩束,变成平行光,以利于干涉仪系统的调试。每路干涉仪都是按照广角迈克尔逊干涉仪的原理工作的。在两路干涉仪中放入不同厚度的标准具,将组成双灵敏度系统。干涉仪将靶点的反射光分光后重新叠加,经过成像透镜在条纹相机的狭缝上再次成像,同时形成干涉条纹。这里在条纹相机前面的透镜没有采用柱面镜,而是通常的透镜,是为了使条纹相机狭缝上的像和靶点的物成一一对应关系,从而保证测到的条纹信息是靶点上对应点的信息,有利于数据的判读。在系统中使用干涉滤光片的目的是为了减小杂散光的影响,所以干涉滤光片透过率的半宽很重要。

    打靶时激光照射进靶腔内,产生的冲击波在靶内部传播。当冲击波到达靶自由面时将卸载,固体靶表面的物质会发生稀疏、炭化,对光的反射将变成漫反射,同时伴随有发光。靶的运动反映为条纹相机狭缝上条纹的移动。通过反演条纹相机上条纹的移动,将获得靶自由面的速度历史曲线。要求获得的干涉条纹图为:强度分布范围应该在条纹相机的动态范围内,条纹间隔合适,条纹数目合适。