用于冲击诊断的成像速度干涉仪

　  目前状态方程的绝对测量要求通过实验独立地测定冲击波关系式中的冲击波速度和波后粒子速度,然后推算得到材料其余的冲击波参数,给出冲击绝热线,即冲击绝热状态方程。在状态方程实验研究中,一般通过探测冲击波在靶背卸载时的发光信号进行冲击波诊断。然而作为被动测量方法,冲击加热发光不仅容易受到干扰,并且其信号强度极度依赖冲击压强,无法在相对较低的压强条件下应用。任意表面速度干涉仪(VISAR)是一种主动光学测量方法,与被动测量冲击波靶背卸载发光相比,不受驱动冲击波压力强弱的影响,其应用范围可从数十GPa至TPa。经过不断发展,VISAR已经成为一个被普遍接受的冲击波测量诊断设备,在美国国家点火装置NIF、“神光Ⅱ”等国内外许多实验装置上得到应用[1-5]。成像型速度干涉仪(Imaging-VISAR)是具有空间分辨能力的速度干涉仪,靶背表面的各点速度信息通过干涉仪系统,以干涉条纹的形式被扫描相机记录下来,从中可以分析得到自由面速度以及台阶靶内的冲击波传输速度。天光KrF准分子激光以6束叠加的方式在靶内驱动产生冲击波,压强最高可达到100 GPa。在这样的条件下,自由面速度法是开展状态方程绝对测量研究的较为易行的技术途径,因此,研制了用于冲击波诊断的成像型速度干涉仪。本文分别对干涉仪结构和相关的台阶靶冲击波实验进行介绍。

    1　测速原理

　  在自由面速度测量方面,Imaging-VISAR和普通VISAR原理相同,都是利用光在运动表面反射时产生的多普勒频移,引起干涉条纹移动,进行测速。

式中:v(t),v0分别是t时刻速度和初始速度;λ0是探测激光的波长;F(t)是条纹移动数目;τ是干涉仪两臂的光程差;δ是由于光频率变化引起的修正项(探测光波长532 nm,标准具为熔石英时,δ=0.0318[6-7])。

　  在实验中,由于受窗体材料、探测光入射角及散射角的影响,需要对测速公式进行修正,即

式中:σF是由探测光角度引起的修正项;Δγ/γ0是窗体材料折射率变化引起的修正项。我们研制的干涉仪在实际应用中,散射光收集角度约9°,并且靶背表面不加窗,取σF=0.006[6]。

    2　成像速度干涉仪结构

　  Imaging-VISAR由输入、像传递和干涉仪3个主要部分构成。实验中使用的探测光源为半导体泵浦的固体激光器,输出波长为532 nm的单纵模激光,带宽小于5 MHz。干涉仪对镜片的面型要求较高,同时考虑加工水平及成本因素,系统所使用的镜片均为λ/10的商品镜片。为精确调节干涉仪满足准零程差条件,并且便于对靶位进行监测,所有镜片镀膜均为宽带介质膜。系统中用到的3块分束镜,都有2°楔角,虽然增加了调节难度,但减少了镜片前后表面之间反射光的影响。