一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,連續(xù)波光纖輸出單模激光器通過(guò)光纖順序連接光纖耦合外調(diào)制器和第一1×2光纖分束器;第一1×2光纖分束器與第二1×2光纖分束器相連,第一1×2光纖分束器與第三1×2光纖分束器相連;第二1×2光纖分束器與2×2光纖分束器相連,第三1×2光纖分束器與2×2光纖分束器相連,第二1×2光纖分束器和第三1×2光纖分束器與光纖夾持調(diào)整裝置相連;2×2光纖分束器與光電二極管相連;光纖夾持調(diào)整裝置的一路光軸上依次設(shè)有成像裝置和第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置,另一路的光軸上設(shè)有圖像采集裝置。本發(fā)明使大測(cè)量景深和納秒尺度的時(shí)間分辨率同時(shí)在一套數(shù)字全息干涉光路中實(shí)現(xiàn)。結(jié)合光纖延時(shí)光路使數(shù)字全息干涉光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,延時(shí)時(shí)間可實(shí)時(shí)精確測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字全息干涉測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]納秒尺度快速過(guò)程的測(cè)量在國(guó)防、航天、工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的意義。其主要應(yīng)用包括爆炸過(guò)程、沖擊波與應(yīng)力波傳播過(guò)程、激光燒蝕過(guò)程、以及放電過(guò)程等的測(cè)量。目前,用于記錄快速過(guò)程的數(shù)字全息干涉方法有兩種,一是利用高速相機(jī)連續(xù)記錄被測(cè)對(duì)象的全息圖,二是利用脈沖數(shù)字全息干涉裝置記錄待測(cè)對(duì)象的全息圖。在利用高速相機(jī)連續(xù)記錄全息圖的方法中,由于測(cè)量景深由激光器的相干長(zhǎng)度決定,因此可以根據(jù)被測(cè)量對(duì)象的需求改變測(cè)量景深。如H.Lycksam等在2012年提出利用高速相機(jī)記錄黑色液滴在力口熱過(guò)程中的轉(zhuǎn)化特性(High-speed interferometric measurement and visualizationof the conversion of a black liquor droplet during laser heating, Opt.LasersEng.50 (11) ,1654-1661,2012)。在該方法中,測(cè)量裝置的時(shí)間分辨率由高速相機(jī)的采樣頻率決定。由于目前高速相機(jī)的最高采樣頻率為每秒百萬(wàn)幀級(jí),因此該測(cè)量裝置的時(shí)間分辨率只能達(dá)到毫秒量級(jí),不能實(shí)現(xiàn)納秒尺度快速過(guò)程的測(cè)量。在脈沖數(shù)字全息干涉測(cè)量裝置中,采用飛秒脈沖激光作為光源,并結(jié)合角分復(fù)用技術(shù),可以將多幅全息圖記錄在低速相機(jī)的一幀中,該光路的時(shí)間分辨率可以達(dá)到飛秒尺度。如2006年,X.Wang等提出的飛秒脈沖數(shù)字全息干涉測(cè)量光路(Pulsed digital holography system recording ultrafastprocess of the femtosecond order, Opt.Lett.31 (11), 1636-1638, 2006)。但是,由于鎖模技術(shù)中使用的寬頻激光介質(zhì)發(fā)出的飛秒脈沖激光含有多個(gè)頻率,這使得飛秒脈沖激光的相干長(zhǎng)度非常短(處于微米量級(jí))。因此,脈沖數(shù)字全息干涉光路的測(cè)量景深只有微米量級(jí)。同時(shí),脈沖數(shù)字全息干涉光路是在自由空間搭建,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且延時(shí)時(shí)間無(wú)法精確保證,只適合在實(shí)驗(yàn)室條件下工作。因此,在數(shù)字全息干涉光路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)大測(cè)量景深和納秒尺度的時(shí)間分辨率是困擾快速過(guò)程測(cè)量的主要問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提出一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,使大測(cè)量景深和納秒尺度的時(shí)間分辨率同時(shí)在一套數(shù)字全息干涉光路中實(shí)現(xiàn)。結(jié)合光纖延時(shí)光路使數(shù)字全息干涉光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,延時(shí)時(shí)間可實(shí)時(shí)精確測(cè)量。
[0005]技術(shù)方案
[0006]一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于包括連續(xù)波光纖輸出單模激光器1、光纖耦合外調(diào)制器2、第一 1X2光纖分束器3、第一延時(shí)光纖4、第二延時(shí)光纖5、第二 I X 2光纖分束器6、第三I X 2光纖分束器7、2 X 2光纖分束器8、光電二極管9、不波器
10、信號(hào)發(fā)生器12、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16、成像裝置18、分束裝置19、圖像采集裝置20、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置22和計(jì)算機(jī)23 ;連續(xù)波光纖輸出單模激光器I通過(guò)光纖順序連接光纖耦合外調(diào)制器2和第一 1X2光纖分束器3的入射端口 a ;第一 1X2光纖分束器3的出射端口 b通過(guò)第一延時(shí)光纖4與第二 1X2光纖分束器6的入射端口 d相連,第一 1X2光纖分束器3的出射端口 c通過(guò)第二延時(shí)光纖5與第三1X2光纖分束器7的入射端口 g相連;第二 1X2光纖分束器6的出射端口 e與2 X 2光纖分束器8的入射端口 j相連,第三I X 2光纖分束器7的出射端口 h與2X2光纖分束器8的入射端口 k相連,第二 1X2光纖分束器6的出射端口 f和第三I X 2光纖分束器7的出射端口 i與光纖夾持調(diào)整裝置22相連;2 X 2光纖分束器8的出射端口 I與光電二極管9相連;上述連接均通過(guò)光纖進(jìn)行連接;光纖夾持調(diào)整裝置22將第三1X2光纖分束器7的出射端口 i的光路光軸上依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置22和分束裝置19 ;經(jīng)過(guò)分束裝置19后形成兩路光路,其中一路的光軸上依次設(shè)有成像裝置18和第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16,并與2 X 2光纖分束器8的出射端口 m的光軸相重合,成像裝置18和擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16之間安置待測(cè)樣品17 ;經(jīng)過(guò)分束裝置19后形成的另一路的光軸上設(shè)有圖像采集裝置20 ;信號(hào)發(fā)生器12的同步觸發(fā)信號(hào)分別輸出至光纖耦合外調(diào)制器2和圖像采集裝置20,圖像采集裝置20與接收第一光束與第二光束干涉和第三光束與第四光束干涉所形成的復(fù)合全息圖的計(jì)算機(jī)相連。
[0007]所述的連續(xù)波光纖輸出單模激光器I為連續(xù)波光纖輸出半導(dǎo)體單模激光器、連續(xù)波光纖輸出氣體單模激光器或連續(xù)波光纖輸出固體單模激光器。
[0008]所述的光纖耦合外調(diào)制器2為光纖耦合聲光調(diào)制器或光纖耦合電光調(diào)制器。
[0009]所述的光纖耦合外調(diào)制器2的應(yīng)用波段為可見(jiàn)光波段,上升響應(yīng)時(shí)間小于500ns。
[0010]所述第一延時(shí)光纖4和第二延時(shí)光纖5為多根。
[0011]所述的第一延時(shí)光纖4與第二延時(shí)光纖5的長(zhǎng)度差要求大于連續(xù)波光纖輸出激光器I的相干長(zhǎng)度。
[0012]所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置22為復(fù)合透鏡組、光纖準(zhǔn)直器或空間濾波器和透鏡組的組合。
[0013]所述的成像裝置18為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、顯微物鏡、單成像透鏡或復(fù)合成像透鏡組。
[0014]所述的分束裝置19為固定分光比分光鏡或固定分光比分光棱鏡。
[0015]所述的圖像采集裝置20為電荷耦合器件CXD或金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明提出的一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,有益效果是:(I)本光纖數(shù)字全息干涉裝置的時(shí)間分辨率由光纖耦合外調(diào)制器2的上升時(shí)間決定,因此,可以根據(jù)納秒尺度快速過(guò)程的不同,選擇不同的時(shí)間分辨率,觀測(cè)不同時(shí)間間隔的瞬變物理現(xiàn)象。同時(shí)可以根據(jù)不同快速過(guò)程中測(cè)量景深的要求選擇不同相干長(zhǎng)度的連續(xù)波光纖輸出激光器1,使大測(cè)量景深和納秒尺度的時(shí)間分辨率同時(shí)在一套數(shù)字全息干涉光路中實(shí)現(xiàn)。(2)選擇延時(shí)光纖4與延時(shí)光纖5之間不同的長(zhǎng)度差,就可以得到納秒尺度快速過(guò)程中不同時(shí)間間隔的復(fù)合全息圖,且這一時(shí)間間隔可以被精確測(cè)量。(3)本光纖數(shù)字全息干涉裝置具有靈活的擴(kuò)展性,通過(guò)增加延時(shí)光纖的數(shù)量,從一張復(fù)合全息圖中可以得到快速過(guò)程中多個(gè)狀態(tài)的參數(shù)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】[0018]圖1為本發(fā)明提出的記錄納秒尺度快速過(guò)程的光纖數(shù)字全息干涉光路;
[0019]其中:1、連續(xù)波光纖輸出單模激光器(可見(jiàn)光波段);2、光纖耦合外調(diào)制器;3、1X2光纖分束器(入射端口 a,出射端口 b和c) ;4、延時(shí)光纖(可見(jiàn)光單模光纖);5、延時(shí)光纖(可見(jiàn)光單模光纖);6、1X2光纖分束器(入射端口 d,出射端口 e和f) ;7、1X2光纖分束器(入射端口 g,出射端口 h和i);8、2X2光纖分束器(入射端口 j和k,出射端口 I和m);9、光電二極管;10、示波器;11、可見(jiàn)光單模光纖;12、信號(hào)發(fā)生器;13、同步觸發(fā)信號(hào);14、外觸發(fā)信號(hào);15、同步觸發(fā)信號(hào);16、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置;17、待測(cè)樣品;18、成像裝置;19、分束裝置;20、圖像采集裝置;21、光纖夾持調(diào)整裝置;22、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置;23、計(jì)算機(jī)。
[0020]圖2為光纖耦合聲光調(diào)制器調(diào)制連續(xù)氦氖激光產(chǎn)生的一個(gè)單脈沖氦氖激光。
[0021]圖3為第一光束和第三光束的延時(shí)時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0022]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0023]參閱附圖1,連續(xù)波光纖輸出單模激光器I采用相干長(zhǎng)度為250_的光纖輸出氦氖激光器;光纖耦合外調(diào)制器2采用上升時(shí)間為58ns的光纖耦合聲光調(diào)制器;延時(shí)光纖4與延時(shí)光纖5的長(zhǎng)度差為20.95m ;光電二極管9米用上升響應(yīng)時(shí)間為1.8ns的光電二極管;示波器10采用采用頻率為2.5Gs/s的示波器;待測(cè)樣品17采用波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光燒蝕固體表面而產(chǎn)生沖擊波,圖像采集裝置20采用帶有像增強(qiáng)功能的CCD。
[0024]連接關(guān)系為:連續(xù)波光纖輸出單模激光器I通過(guò)光纖順序連接光纖耦合外調(diào)制器2和第一 1X2光纖分束器3的入射端口 a ;第一 1X2光纖分束器3的出射端口 b通過(guò)第一延時(shí)光纖4與第二 1X2光纖分束器6的入射端口 d相連,第一 1X2光纖分束器3的出射端口 c通過(guò)第二延時(shí)光纖5與第三1X2光纖分束器7的入射端口 g相連;第二 1X2光纖分束器6的出射端口 e與2X2光纖分束器8的入射端口 j相連,第三I X 2光纖分束器7的出射端口 h與2 X 2光纖分束器8的入射端口 k相連,第二 I X 2光纖分束器6的出射端口 f和第三1X2光纖分束器7的出射端口 i與光纖夾持調(diào)整裝置22相連;2X2光纖分束器8的出射端口 I與光電二極管9相連;上述連接均通過(guò)光纖進(jìn)行連接;光纖夾持調(diào)整裝置22將第三I X 2光纖分束器7的出射端口 i的光路光軸上依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置22和分束裝置19 ;經(jīng)過(guò)分束裝置19后形成兩路光路,其中一路的光軸上依次設(shè)有成像裝置18和第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16,并與2 X 2光纖分束器8的出射端口 m的光軸相重合,成像裝置18和擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置16之間安置待測(cè)樣品17 ;經(jīng)過(guò)分束裝置19后形成的另一路的光軸上設(shè)有圖像采集裝置20 ;信號(hào)發(fā)生器12的同步觸發(fā)信號(hào)分別輸出至光纖耦合外調(diào)制器2和圖像采集裝置20,圖像采集裝置20與接收第一光束與第二光束干涉和第三光束與第四光束干涉所形成的復(fù)合全息圖的計(jì)算機(jī)相連。
[0025]工作時(shí),用波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光燒蝕固體表面而產(chǎn)生沖擊波時(shí),該脈沖激光器發(fā)出一個(gè)外觸發(fā)信號(hào)14給信號(hào)發(fā)生器12,同時(shí)信號(hào)發(fā)生器12對(duì)光纖耦合聲光調(diào)制器發(fā)出一個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)13,光纖耦合聲光調(diào)制器調(diào)制連續(xù)氦氖激光產(chǎn)生一個(gè)如附圖2所示的單脈沖氦氖激光,其脈沖寬度為106ns。單脈沖氦氖激光通過(guò)1X2光纖分束器3后被分為兩束,這兩束脈沖激光不存在時(shí)間延時(shí)。但它們分別通過(guò)延時(shí)光纖4和延時(shí)光纖5后,就會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的107.6ns的時(shí)間延遲。當(dāng)它們通過(guò)I X2光纖分束器6和1X2光纖分束器7后被分為第一、二、三和四光束,第一光束和第三光束進(jìn)入2X2光纖分束器8,2X2光纖分束器8的出射端口 I連接光電二極管9,光電二極管9產(chǎn)生的電信號(hào)由不波器10米集和顯示,得到如附圖3所示的第一光束和第三光束的延時(shí)時(shí)間。由2X2光纖分束器8的出射端口 m出射的第一光束與第三光束依次通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置一 16、待測(cè)樣品17、成像裝置18、分束裝置19后,分別和通過(guò)光纖夾持調(diào)整裝置21、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置22、分束裝置19的第二光束與第四光束形成干涉圖樣。將帶有像增強(qiáng)功能的CCD快門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間定為250ns,則包含兩組干涉條紋的復(fù)合全息圖被記錄。由于采用角分復(fù)用,在復(fù)合全息圖中第一光束與第二光束所形成的干涉條紋方向和第三光束與第四光束所形成的干涉條紋方向不同,通過(guò)數(shù)字空間濾波,可以分別重建得到光波的相位信息。由于這兩組干涉條紋所記錄的待測(cè)樣品狀態(tài)相差107.6ns,得到的兩組相位信息,分別表征了波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光燒蝕固體表面所產(chǎn)生的沖擊波相差107.6ns的兩個(gè)狀態(tài)的形態(tài)。
[0026]在以上實(shí)施例過(guò)程中,光纖耦合外調(diào)制器2的應(yīng)用波段為可見(jiàn)光波段,上升響應(yīng)時(shí)間小于500ns ;延時(shí)光纖4與延時(shí)光纖5的長(zhǎng)度差大于連續(xù)波光纖輸出激光器I的相干長(zhǎng)度;兩根延時(shí)光纖4和5產(chǎn)生兩幅全息圖,增加延時(shí)光纖的數(shù)量可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)數(shù)量的全息圖,這些全息圖可以表征納秒尺度快速過(guò)程中的不同狀態(tài);調(diào)節(jié)外觸發(fā)信號(hào)的延時(shí)時(shí)間,也可以得到表征納秒尺度快速過(guò)程中不同狀態(tài)的全息圖;光電二極管9上升響應(yīng)時(shí)間需要小于光纖耦合外調(diào)制器2的上升響應(yīng)時(shí)間;待測(cè)樣品17可以采用任意波長(zhǎng)脈沖激光在固體進(jìn)行燒蝕,脈沖激光在固體表面聚焦點(diǎn)的能量密度要求大于固體的損壞閥值。在采用上述條件進(jìn)行實(shí)施測(cè)量過(guò)程中,產(chǎn)生其他的相似裝置或系統(tǒng)與【具體實(shí)施方式】中的實(shí)施例一致,僅時(shí)間分辨率不同。但是,依然屬于納秒尺度快速過(guò)程的測(cè)量范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于包括連續(xù)波光纖輸出單模激光器(I)、光纖耦合外調(diào)制器(2)、第一 1X2光纖分束器(3)、第一延時(shí)光纖(4)、第二延時(shí)光纖(5)、第二 1X2光纖分束器(6)、第三1X2光纖分束器(7)、2X2光纖分束器(8)、光電二極管(9)、示波器(10)、信號(hào)發(fā)生器(12)、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)、成像裝置(18)、分束裝置(19)、圖像采集裝置(20)、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(22)和計(jì)算機(jī)(23);連續(xù)波光纖輸出單模激光器(I)通過(guò)光纖順序連接光纖耦合外調(diào)制器(2)和第一 1X2光纖分束器(3)的入射端口 a ;第一 1X2光纖分束器(3)的出射端口 b通過(guò)第一延時(shí)光纖(4)與第二 1X2光纖分束器(6)的入射端口 d相連,第一 1X2光纖分束器(3)的出射端口 c通過(guò)第二延時(shí)光纖(5)與第三1X2光纖分束器(7)的入射端口 g相連;第二 1X2光纖分束器(6)的出射端口 e與2X2光纖分束器(8)的入射端口 j相連,第三1X2光纖分束器(7)的出射端口 h與2X2光纖分束器(8)的入射端口 k相連,第二 1X2光纖分束器(6)的出射端口 f和第三1X2光纖分束器(7)的出射端口 i與光纖夾持調(diào)整裝置(22)相連;2 X 2光纖分束器(8)的出射端口(I)與光電二極管(9)相連;上述連接均通過(guò)光纖進(jìn)行連接;光纖夾持調(diào)整裝置(22)將第三1X2光纖分束器(7)的出射端口 i的光路光軸上依次設(shè)有第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(22)和分束裝置(19);經(jīng)過(guò)分束裝置(19)后形成兩路光路,其中一路的光軸上依次設(shè)有成像裝置(18)和第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16),并與2X 2光纖分束器(8)的出射端口 m的光軸相重合,成像裝置(18)和擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)之間安置待測(cè)樣品(17);經(jīng)過(guò)分束裝置(19)后形成的另一路的光軸上設(shè)有圖像采集裝置(20);信號(hào)發(fā)生器(12)的同步觸發(fā)信號(hào)分別輸出至光纖耦合外調(diào)制器(2 )和圖像采集裝置(20 ),圖像采集裝置(20 )與接收第一光束與第二光束干涉和第三光束與第四光束干涉所形成的復(fù)合全息圖的計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的連續(xù)波光纖輸出單模激光器(I)為連續(xù)波光纖輸出半導(dǎo)體單模激光器、連續(xù)波光纖輸出氣體單模激光器或連續(xù)波光 纖輸出固體單模激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的光纖耦合外調(diào)制器(2)為光纖耦合聲光調(diào)制器或光纖耦合電光調(diào)制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的光纖稱(chēng)合外調(diào)制器(2)的應(yīng)用波段為可見(jiàn)光波段,上升響應(yīng)時(shí)間小于500ns。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述第一延時(shí)光纖(4)和第二延時(shí)光纖(5)為多根。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的第一延時(shí)光纖(4)與第二延時(shí)光纖(5)的長(zhǎng)度差要求大于連續(xù)波光纖輸出激光器(I)的相干長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的第一擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(16)和第二擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置(22)為復(fù)合透鏡組、光纖準(zhǔn)直器或空間濾波器和透鏡組的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的成像裝置(18)為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、顯微物鏡、單成像透鏡或復(fù)合成像透鏡組。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的分束裝置(19)為固定分光比分光鏡或固定分光比分光棱鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量大景深納秒尺度快速過(guò)程的裝置,其特征在于:所述的圖像采集裝置(20)為電荷耦·合器件CXD或金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS。
【文檔編號(hào)】G01D21/00GK103822655SQ201410055130
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】趙建林, 王駿, 姜碧強(qiáng), 邸江磊 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)