双灵敏度VISAR测量的一种结构计

　　1　引　言

　　VISAR自从被Barker[1]等人提出以来,已成为研究冲击物理、爆轰物理等研究领域内的一种重要的诊断手段。VISAR用来测速度非常高的物体,它的测量原理是:探测激光照射到运动的物体表面上并被反射,该反射光含有多普勒频移Δv(t),Δv(t)大小与物体运动速度成正比,即:

　　它是时间的函数,式中,λ——探测光波长;u(t)——样品在时刻的速度。该反射光被分光板分成具有一个时间差τ(通常是几纳秒)的两路光,然后再重新会合产生干涉。在t时刻的干涉光强:

  （2）

式中,I₁,I₂——两路干涉光的光强。从公式(2)可得出,在t时刻已移过的条纹数为:

由公式(3)可以推导出物体运动的速度(这里不作推导):

　　式中,A——比例系数;F——条纹常数,也叫速度灵敏度。由(3)式可以看出,P(t)与被测目标的加速度成正比,当加速度大时,探测器对信号来不及响应,就会造成条纹丢失。按速度干涉仪原理,探测器记录的是u(t)和u(t-τ)两个时刻多普勒信号光产生的拍频。t在t0∶t0+τ这一段时间内,参与干涉的一路光已经带有多普勒频移,而滞后时间τ的那路光仍然是激光光源的本机振荡,此时的速度干涉仪等于位移干涉仪,即:

　　在这段极短时间内,样品由静止状态到达到非常高的速度,加速度非常大,P(τ)达到较大的值,致使条纹频率很高。由于探测器无法响应这么高的频率,所以就会造成条纹丢失。

　　要解决条纹丢失问题,目前有几种方法:(1)利用实验边界条件估算丢失的条纹数;(2)改进记录仪器,提高仪器的响应速度,使其满足响应速度的要求,不过以目前的水平还很难做到这一点;(3)采用双灵敏度测试技术,即用两个不同速度灵敏度的VISAR同时测试一点的速度历程,只要两个速度灵敏度不是整数倍关系,就可以估算出丢失的条纹数。通常的双灵敏度测试系统是把信号光分成两束,进入两套具有不同速度灵敏度的速度干涉仪,并被两套探测仪器接收,如图1所示。

　　由于使用了两套速度干涉仪和探测仪器,故使得整个装置结构复杂且庞大,并带来安装调试维护的一系列困难。同时,由于探测仪器(如条纹相机)的价格昂贵,故使得整个装置的造价非常高。现探讨提出一种双灵敏度测试系统,它可只用一套速度干涉仪和探测仪器,来实现样品表面速度的测量。这样的系统与使用两套独立的速度干涉仪和探测仪器的系统相比,具有结构简单,造价低,安装、调试和维护都容易的优点。

　　2　双灵敏度测试系统的光路布局和原理