激光速度干涉仪测量炸药驱动金属的运动速度

　　炸药爆炸驱动金属运动时,其加速过程是人们十分关心的问题。通常的测量方法只能得到金属运动的平均速度。而激光速度干涉仪速度时间分辨率能够达到纳秒量级,能够连续记录金属表面速度变化,从而能够记录金属运动的细节情况[1]。在任意面反射面激光速度干涉仪(VISAR)测量爆炸驱动金属运动速度时,由于金属在强冲击波和爆炸产物的作用下,表面速度变化激烈,容易造成部分激光速度干涉仪波形信号丢失,使测量到的速度值失真。因此,在测量前确定适当的激光速度干涉仪条纹常数和在波形信号的处理中,正确判断测量中丢失波形信号(即丢失条纹数),以此对速度值进行相应的修正,是获得准确测量结果的重要环节。本文在炸药驱动金属平板实验中,用VISAR测量了金属平板表面速度,分析了干涉条纹丢失的情况,讨论了判断丢失条纹数的方法,对测量速度进行了修正,得到了完整的金属平板表面速度变化历程。

　　1　激光速度干涉仪测量实验

　　激光速度干涉仪的工作原理是:当激光垂直照射于物体表面时,如果物体发生运动,因多普勒效应使返回光束带有速度信息,该光束进入仪器后分为两束,经不同路径传输后又在合分束器上合束。通过系统设计和光学加工,可以保证合束时两光束满足所谓零程差条件,即光束之一虽因通过标准具延时而相对另一束有程差,但两者波前一样,表观上相当于零程干涉,因此,可用来测量物体漫反射表面速度[2]。

　　图1.1(1样品;2光纤探头;3、4光纤; 5光纤接板;6光纤激光耦合器;7激光器;8平行光管;9、10反射镜;11标准具;12分束器;13、14偏振分束器;15、16、17、18光电倍增管;19数值示波器)为实验测量系统原理图。激光器的激光束进入光纤耦合器,由光纤传输到光纤探头,照射到实验样品测量面上,同时反射光被光纤探头接收,由探头中的自聚焦透镜会聚后,通过另一条光纤传输到光学系统进行分束和合束处理,得到相邻两者相位相差π/2的四束光,分别由四个光电倍增管转换成四路电信号,输入数值示波器被记录。实验样品为由含铝炸药驱动的铜板,实验装置和方法见参考文献[3]。

　　2　干涉条纹信号分析

　　根据VISAR的工作原理,运动物体的速度与干涉条纹的增量成正比[4]:

式中,v为运动物体的速度;t为时间;λ为光源的波长;τ为两光束间的延迟时间;dm为干涉条纹的增量。λ/2τ是一常数,表示一个信号所对应的速度变化量,称为条纹常数。

　　图2.1为VISAR测量含铝炸药驱动铜板时,示波器记录到的典型干涉条纹信号。此信号根据(2·1)式,经过专用计算程序读数处理,可以得到铜板表面速度与时间关系曲线,数据处理的原理和方法见文献[5]。图2·2是直接对原始信号处理后得到的速度时间曲线。在开始的0·5μs内,速度为负值,这与实际物理过程明显不符。这是由于铜板运动初期,表面在冲击波突然作用下,速度在短时间内从零达到很大值,使激光束产生多条干涉条纹,而VISAR系统响应频率有限,不能在短时间内分辩出过密的干涉条纹,造成其丢失,没有记录到开始阶段的速度快速变化过程中的条纹信号,导致处理出的铜板表面速度失真。