本發(fā)明涉及光電探測，具體涉及一種激光作用下圓柱體靶材運動軌跡的探測裝置和探測方法。

背景技術(shù)：

1、在激光推進研究領域，測量激光作用下靶材獲得的初速度是必要的。主流的探測方法有攝影法、光束偏轉(zhuǎn)法、鐘擺法、扭擺法等。

2、專利公告號為：cn104457564b的專利文件公開了一種高精度靶材測量系統(tǒng)及方法，包括：檢測平臺、光學檢測單元、數(shù)據(jù)收集處理單元和控制單元，所述檢測平臺中間設置有一中空腔，所述中空腔上設置有可拆卸的活動板，所述活動板可將所述中空腔完全覆蓋，所述中空腔內(nèi)部設置至少一組限位組件，所述限位組件固定靶材并可帶動所述靶材旋轉(zhuǎn)，所述限位組件連接驅(qū)轉(zhuǎn)裝置并由其驅(qū)動；所述光學檢測單元包括鏡頭和光柵投影裝置，由于檢測平臺和光學檢測單元都是活動的，通過控制其運動的方向和距離，可以實現(xiàn)對不同規(guī)格和形狀靶材的任意位置的高精度三維檢測，而且所述限位組件可帶動靶材旋轉(zhuǎn)，使檢測過程中不需要翻轉(zhuǎn)靶材，提高了檢測效率。

3、如上述方案，其可以歸類為攝法，攝影法較為簡單，但為了獲取精準的靶材初速度，往往需要幀率較高的高速照相機，成本較為高昂；

4、而光束偏轉(zhuǎn)法測量的初速度則是估算，在準確性要求較高的場景并不適用；鐘擺法和扭擺法雖然解決了靶材懸掛的問題，但在具體測量過程中往往需要與照相機配合使用，也有其局限性。

5、不僅如此，光束偏轉(zhuǎn)發(fā)、鐘擺法、扭擺法并不適用于液體環(huán)境中激光作用下靶材的初速度探測，這是因為在該場景下，激光與靶材相互作用過程中產(chǎn)生的空泡使得靶材初期的運動軌跡變得復雜。

6、如何使用較低的成本準確探測靶材的初速度成了難題。為了解決這一難題，韓冰等人于2016年對傳統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)法進行了改進，提出了片狀光束透射法，監(jiān)測到了靶材在激光作用方向所在直線上的運動軌跡，精準獲取到了靶材的初速度。然而，在具體的實驗研究過程中，當激光未能精準地聚焦在靶材推進面的中心位置時，靶材被推進的同時，往往伴隨著輕微的旋轉(zhuǎn)，這導致了測量得到的靶材運動軌跡存在誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種激光作用下圓柱體靶材運動軌跡的探測裝置及方法，其解決了圓柱體靶材在運動過程中發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)進而導致無法精確測量其運動軌跡的問題。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種激光作用下圓柱體靶材運動軌跡的探測裝置，包括用于投射探測光束的激光器，沿所述激光器投射出的探測光束方向依次同軸安裝有擴束鏡、可調(diào)圓形光闌、凹凸透鏡組、分光棱鏡、第一可調(diào)光學狹縫、第二可調(diào)光學狹縫、第一聚焦透鏡、第一干涉濾波片以及第一光電傳感器；

4、探測裝置還包括第二聚焦透鏡、第二干涉濾波片、第二光電傳感器以及示波器，所述第二聚焦透鏡、所述第二干涉濾波片以及所述第二光電傳感器依次同軸安裝在所述分光棱鏡處，且第二聚焦透鏡、第二干涉濾波片以及第二光電傳感器的安裝方向與激光器投射出的探測光束方向保持垂直；

5、分光棱鏡的入射面與激光器投射出的探測光束方向保持垂直，探測光束經(jīng)分光棱鏡分散后呈兩束互相垂直的光束射出，其中，一束的投射方向與激光器的發(fā)射方向同向，另一束朝向第二聚焦透鏡投射；

6、所述第一光電傳感器和第二光電傳感器的輸出端分別與所述示波器的一通道和二通道相連；

7、所述凹凸透鏡組和分光棱鏡之間設置有圓柱體靶材和多維平移臺，所述圓柱體靶材懸掛在所述多維平移臺上方。

8、進一步在于，所述激光器投射出的探測光束的光強分布為高斯分布。

9、進一步在于，所述激光器投射出的探測光束的激光功率穩(wěn)定性不低于±2.5％。

10、進一步在于，所述第一干涉濾波片和所述第二干涉濾波片的可透過光的中心波長均與所述激光器的波長一致。

11、進一步在于，所述第一可調(diào)光學狹縫的縫隙中線、所述第二可調(diào)光學狹縫的縫隙中線以及所述激光器投射出的探測光束的軸線共同構(gòu)成一個三維空間，在該三維空間中，每兩條線之間都是相互垂直的。

12、進一步在于，所述圓柱體靶材軸向所在的直線處于所述第一可調(diào)光學狹縫的縫隙中線與所述激光器投射出探測光束的發(fā)射方向所構(gòu)成的平面內(nèi)。

13、基于上述探測裝置，本方案還提出了一種激光作用下圓柱體靶材運動軌跡的探測方法,所述探測方法包括以下步驟：

14、s1、使用擴束鏡對激光器投射出的探測光束進行擴束；

15、s2、在不發(fā)生光學衍射的前提下，調(diào)節(jié)可調(diào)圓形光闌，使經(jīng)過可調(diào)圓形光闌的圓形探測光束的直徑盡可能?。?/p>

16、s3、利用凹凸透鏡組對通過可調(diào)圓形光闌的激光光束進行擴束，使得擴束后的圓形探測光束的直徑不小于圓柱體靶材高度的三倍；

17、s4、在確保圓柱體靶材沒有遮擋住探測光束的情況下，調(diào)節(jié)各器件使激光器、擴束鏡、可調(diào)圓形光闌、凹凸透鏡組、分光棱鏡、第一可調(diào)光學狹縫、第二可調(diào)光學狹縫、第一聚焦透鏡、第一干涉濾波片以及第一光電傳感器之間同軸等高，并將第一可調(diào)光學狹縫、第二可調(diào)光學狹縫調(diào)節(jié)至縫隙最大；

18、s5、調(diào)整分光棱鏡的位置，使得經(jīng)其反射的探測光束方向與激光器發(fā)出探測光束的方向保持垂直，然后在反射的探測光束的方向上依此放置第二聚焦透鏡、第二干涉濾波片、第二光電傳感器，并確保這些光學元件與分光棱鏡之間同軸等高；

19、s6、通過調(diào)節(jié)第一光電傳感器的位置，使得通過第一聚焦透鏡的探測光束聚焦到第一光電傳感器的感光元件上，此時示波器一通道的信號電壓值達到最大；

20、s7、通過調(diào)節(jié)第二光電傳感器的位置，使得通過第二聚焦透鏡的激光光束聚焦到第二光電傳感器的感光元件上，此時示波器二通道的信號電壓值達到最大，記為v2max；

21、s8、在確保沒有發(fā)生光學衍射的前提下，縮小第一可調(diào)光學狹縫的縫隙寬度，使得通過該可調(diào)光學狹縫的探測光束最細，此時第一可調(diào)光學狹縫的縫隙中線應處于圓形探測光束的徑向上，第一可調(diào)光學狹縫的縫隙中線的縫隙寬度應小于圓柱體靶材的圓面半徑，此時經(jīng)過第一可調(diào)光學狹縫的探測光束為光強分布較為均勻的“一字型”光束，將這個時間點第一可調(diào)光學狹縫的縫隙寬度記為s1；

22、s9、縮小第二可調(diào)光學狹縫的縫隙寬度，直至其小于圓柱體靶材的高度，此時第二可調(diào)光學狹縫的縫隙中線應同樣處于圓形探測光束的徑向上，且第二可調(diào)光學狹縫的縫隙中線與可調(diào)光學狹縫的縫隙中線保持垂直，將這個時間點第二可調(diào)光學狹縫的縫隙寬度記為s2，此時示波器一通道的信號電壓值記為v1max；

23、s10、使用遮擋物完全遮擋住探測光束，將此時示波器一通道的信號電壓值記為v1min，移除遮擋物；

24、s11、通過調(diào)節(jié)多維平移臺，盡可能使圓柱體靶材的軸線方向處于第一可調(diào)光學狹縫的縫隙中線與激光器發(fā)射出探測光束的方向所構(gòu)成的平面內(nèi)；

25、然后將圓柱體靶材沿著圓柱體的軸向所在的直線，朝向靠近探測光束的方向移動，同時觀測示波器一通道的信號電壓值，當圓柱體靶材開始遮擋探測光束時，示波器一通道的信號電壓值應無變化；

26、繼續(xù)移動圓柱體靶材，直至示波器一通道的信號電壓值開始下降，此時圓柱體靶材應已全部進入探測光束范圍，將示波器一通道的信號電壓值記為v1，示波器二通道的信號電壓值記為v2；

27、s12、利用外部的高能激光發(fā)射器將高能激光擊打在圓柱體靶材遠離探測光束的一側(cè)圓面上，使其朝著靠近探測光束的方向運動，將圓柱體靶材的高度記為h，圓面直徑記為d，此時示波器一通道的信號電壓波形記為v1(t)，示波器二通道的信號電壓波形記為v2(t)，則圓柱體靶材的運動軌跡x(t)可表示為：

28、

29、進一步在于，所述擴束鏡對所述激光器投射出的探測光束進行不小于8倍的擴束。

30、進一步在于，所述凹凸透鏡組能夠?qū)⑺黾す馄魍渡涑龅奶綔y光束擴束n倍，其中，n為大于1的正整數(shù)。

31、本發(fā)明的有益效果：

32、相較于傳統(tǒng)方法，本技術(shù)方案解決了由于圓柱體靶材在運動過程中發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)而導致無法精確測量其運動軌跡的問題，通過采用激光器和一系列光學元件組合形成光強分布較為均勻的圓形光束作為探測光，并在接收端使用分光棱鏡將探測光束分為兩束光，分別通過一系列光學元件后由光電傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，并由示波器接收；其中，一束光用于探測圓柱體靶材的運動軌跡，另一束光則用于監(jiān)測圓柱體靶材在運動過程中是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)；而通過對示波器接收到的兩路電信號進行分析處理，即可對圓柱體靶材旋轉(zhuǎn)導致的測量誤差進行修正，進而得到靶材的運動軌跡，實現(xiàn)對激光作用下圓柱體靶材的運動軌跡進行納秒量級高時間分辨率的測量。