光学条纹相机扫描速度实验标定

随着激光技术的不断发展,利用激光驱动冲击波已成为材料超高压状态方程实验研究的主要手段之一[1-6]。由于激光驱动的冲击波产生、传输、衰减、消失全过程很短,国内一般采用扫描光学高温计(SOP)对激光驱动的冲击波进行诊断,通过测量台阶样品后表面冲击波卸载时的冲击加热发光信号的产生时间对冲击波的速度进行测量[7-9]。光学条纹相机(OSC)是扫描光学高温计的重要组成部分,其扫描电路由多个雪崩晶体管串联组成。将“雪崩”产生的线性斜坡电压加载在相机扫描偏转板上,可按时间先后将相机狭缝成像在像增强器上,利用CCD可得到具有时间分辨记录图像,相机不同扫速档对应不同斜率的扫描电压。由于晶体管的老化将导致斜坡扫描电压发生畸变,从而改变条纹相机的扫描速度,实验前应对相机扫描速度进行标定以确保实验数据准确可信。以前对条纹相机的标定一般给出相机的平均扫描速度和扫速非线性[10],但实验中发现相机扫描速度在不同时刻差别较大,利用平均扫描速度进行数据处理将会产生很大误差。为满足高压状态方程研究中对冲击波速度测量的精度要求,需要知道相机不同时刻、不同位置的扫描速度。本次实验中,通过改变相机触发时间以及利用相机的触发晃动获得了几乎覆盖全部记录面的扫描条纹图,通过数据处理得到了相机不同扫速档、不同狭缝位置、不同时间区域的扫描速度。

1　实验布局

条纹相机标定光路排布如图1所示。实验使用的光源为一台YAG激光器,工作频率0.5Hz,经KDP晶体倍频后输出脉宽约30ps、能量约6mJ的526nm激光。主激光束经取样镜后进入分束镜(45°半透半反),分束镜透射的激光由吸收体吸收,反射的激光进入空气标准具,标准具用于提供一个标准的时间刻度,由两片表面严格平行的反射镜组成,前反射镜的后表面镀半透半反膜,后反射镜的前表面镀全反膜。当一个激光脉冲由前反射镜入射时,标准具将反射一系列等时间间隔、能量等比衰减的脉冲序列。脉冲的时间间隔由两反射镜间距确定(Δt=2nd/c),可根据标定不同扫速档时的需要进行调节。对应相机的2ns/15mm、5ns/15mm和10ns/15mm档,脉冲间隔分别为100ps、200ps和500ps。由标准具反射的光经分束镜透射后扩束进入条纹相机。条纹相机触发信号由取样光输入触发探头产生,为使相机触发信号与信号光同步,在触发探头与条纹相机间连接了一个可调时间延迟的延迟箱。延迟箱调节范围0.25ns-31.75ns,最小刻度为0.25ns。

2　实验方法

通过改变延迟箱的延迟时间,可在记录CCD的不同位置得到扫描条纹图。即使不改变延迟时间,由于雪崩管击穿电压漂移、雪崩管性能分散性以及外触发信号幅度和宽度的变化也将引起扫描电路的触发晃动,从而导致扫描条纹图的记录位置偏移。对不同位置的扫描条纹图进行处理,可以得到不同时间区域的平均扫描速度。处理的方法是将时间轴人为划成若干小段,然后根据扫描条纹图及序列脉冲时间间隔求得每一段的时间间隔内的平均扫描速度。由于记录条纹并不是每次都完全处于所划分的时间间隔内,可将多次测得的扫描速度加权平均后得到这一区域的平均扫描速度。理想情况下,当激光脉宽和标准具时间间隔很短且时间区域划分得足够窄时,可得到不同时刻对应的扫描速度。实际上,由于条纹相机空间分辨的限制(相机狭缝的静态像约10道),为使记录扫描条纹图清晰可辨,相邻条纹的时间间隔应大于20道。此外,若时间区域划分得太细,将大大增加数据处理量,而由于相机时空分辨的限制,测量精度几乎没有提高。因此,在进行数据处理时,根据不同扫描档的图像采集情况以30-40道为一段对时间轴进行了划分。利用扫描光学高温计进行高压状态方程研究时,一般通过测量台阶样品后表面冲击波卸载时的冲击加热发光信号的产生时间对冲击波的速度进行测量。因此需要对相机狭缝不同位置的扫描速度进行标定。实验时通过一组扩束器将主激光扩束后照亮整个相机狭缝,得到狭缝扫描像,再截取不同位置的扫描图进行处理即可得到对应的扫描速度。