一种新的线成像激光干涉测速系统

　　在强冲击波作用下各种材料性能的变化过程和响应特性,是冲击波物理学和爆轰波物理学的主要研究内容。在冲击波作用下,样品出现相变、层裂等物理过程,粒子速度和自由面速度呈现加速、减速、匀速等复杂变化过程,称为冲击波的剖面结构,它是整个研究的基础,需要进行高精度的时空分辨测量。而对于非均匀、多相材料的特征长度尺度的动态形变,不同晶轴方向单晶体的速度各向异性,各种加载装置的样品速度分散性或飞片平面性,空间分辨测量具有更重要的意义。特别是激光驱动的飞片或样品,以及电爆炸驱动飞片技术的诊断,飞片或样品只有几百μm到几mm,更需要μm量级的空间分辨。近些年发展起来的多点激光干涉测速技术(VISAR[1],Fabry-Perot[2],光纤位移干涉仪[3])由于前置探头尺寸的限制,空间分辨能力只能做到mm至亚mm量级,要提升到μm量级存在着较大的困难。因此必须采用新的思路,利用光学成像方式来提高测量系统的空间分辨能力,成像方式可以做到μm量级空间分辨。

　　目前,时空分辨的速度场测量技术比较成功的是美国Sandia国家实验室的Troot和美国Lawrence Live-more国家实验室的Celliers的线成像ORVIS[4-5],以及美国华盛顿州立大学Robinson的光学延迟线成像VISAR[6]。本文借鉴这些测速系统的优点,采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列+光电倍增管+数字示波器作为信号记录系统,设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,并用它来测量脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场。

　　1　系统原理

　　传统的线成像激光干涉测速技术都是将激光压缩成一条线,投射到目标靶面,由成像透镜收集目标靶面的漫反射光,送至干涉腔中形成干涉,最后成像于变像管扫描相机狭缝上,由扫描相机来记录干涉信号,干涉信号有两种形式:四路推挽式“牛眼状”环纹[1]和梳状干涉条纹[7]。由于实验室条件限制,利用1维光纤阵列+光电倍增管+数字示波器来代替变像管扫描相机作为记录系统:1维光纤阵列实现扫描相机狭缝取样功能,光电倍增管将光信号变为电信号,数字示波器实现扫描相机时间扫描采样功能。同时,选取梳状干涉条纹作为信号载体,搭建一种新的线成像激光干涉测速系统。采用数字示波器来记录信号,与用变像管扫描相机相比,在相同的时间分辨能力下具有更长的记录长度。选择梳状干涉条纹优点是不需要波片及偏振分束棱镜,装置相对简单,避免四路推挽式信号的复杂光路调节过程,视场相对较大。

　　这个新的线成像激光干涉测速系统的关键在于利用1维光纤阵列的离散采样功能,采样作为信号载体的梳状干涉条纹,实现了伪四路推挽式信号采集,以及空间准连续分辨测量,如图1所示。只要调节条纹间距与四倍光纤间距相等,即可得到伪推挽四路相位差为90°的信号。信号之所以被称为伪推挽,是因为它们并不是来自目标靶面的同一个点,因此,该装置是以降低系统的空间分辨能力为代价的,具体空间分辨能力与成像放大倍数及光纤阵列的光纤间距有关。相邻四根光纤信号作为一组信号用传统单点VISAR数据处理方法[8]来处理,可以得到一个点的速度信息,依次对1维光纤阵列上的信号进行处理,就可以得到靶面一条线上的速度信息.