一种新型全光纤速度干涉仪

　　研究强冲击波作用下各种材料性能的变化过程和相应特性,是目前冲击波物理和爆轰物理学的基础和主要内容,对于强动载下的物质粒子速度或界面运动 速度,采用主要测量仪器是“可测量任意反射面的速度干涉仪”,简称VISAR(velocity interferometer system for any reflector),该仪器可对高速运动事件进行非接触连续测试[1]。20世纪90年代初以色列人L. Levin提出一种全光纤速度干涉仪,简称AFVISAR(all fiberVISAR,AFVISAR在测量低速运动方面表现出了明显优势[2]。在强冲击作用,全光纤速干涉测试仪还存在一些问题。美国报道了采用光谱 宽度为0. 08 pm、工作波长为1. 55μm的窄带半导体激光器(功率40mW),研制了基于传统VISAR测速原理的全光纤VISAR系统,该系统的条纹常数为0. 15~1. 5×104m·s-1每条纹。

　　目前国内外全光纤速度干涉仪工作在不可见的近红外波段,从而增加了实验操作的难度。为了早日将全光纤速度干涉测试技术推向实用化,我们提出了一 种实用型全光纤速度干涉仪。这种新型全光纤速度干涉仪继承了传统VISAR的特点,同时借鉴和扩大了AFVISAR的长处,从而使该干涉仪的调试工作(包 括更改条纹常数和调整测试探头)在几min内可以完成。运用这种新型AFVISAR测量了Hopkinson压杆加载下的入射杆的端面速度剖面,实验获得 了初步成功。

    1　VISAR测速原理

　　VISAR干涉测试技术是基于激光多普勒(Doppler)效应而建立起来的连续测量运动物体界面速度的一种精密测试技术。图1是传统VISAR系统原理图。频率为ν0的激光入射到以速度u(t)运动物体的表面上,由于多普勒效应,从物体表面反射回来的光信号频率

       反射光与入射光频率之差称为多普勒频移Δν,它携带了物体运动速度的信息,由(1)式可知,频率的变化Δν为

式中:c为真空中的光速。从图1可见,从运动物体反射回来的包含了多普勒频移的激光被分束器1分为两束,其中一束经反射镜1进入具有延迟时间为τ的 标准具,另一束则不经过标准具,当这两束激光在合束器2上相遇时,即可发生拍频相干,形成明暗相间的条纹。可以证明[3],t时刻的条纹总数N(t)与物 体表面的运动速度u(t)之间的关系可表示为

式中:Fν=λ/2τ称为VISAR系统的条纹常数,它表示单位条纹变化所对应的速度改变量;λ为激光波长;δ为标准具材料的色散修正因子;τ为标准具的延迟时间。为了满足时间相干性的要求,激光的相干长度L0应满足L0>τc。

     2　新型AFVISAR原理

　　新型全光纤速度干涉仪如图2所示,工作机制如下:激光器1发出的激光经1×2多模光纤分束器2传输到双透镜探头3并汇聚在被测靶面4上,返回的 信号光经1×2多模光纤分束器2传输至1×3单模光纤分束器6,并被6分成三路,一路直接由光电探测器10接收作为检测光强端,一路经直接支路8到达耦合 器9,另一路经延迟支路7延迟后到达耦合器9,直接支路与延迟支路的信号光在3×3单模光纤耦合器9内完成干涉过程,最后输出的三路干涉信号由光电探测器 10探测。由图1可知,返回耦合器9上的光可以分为2种情况。