一種啁啾脈沖速度干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光測試裝置領(lǐng)域，具體涉及一種啁啾脈沖速度干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光速度干涉儀是利用光電倍增管-示波器記錄兩個(gè)時(shí)刻激光束的差拍頻率變 化過程，以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動物體表面（使激光束產(chǎn)生多普勒頻移的運(yùn)動面）速度測量的光 學(xué)測試系統(tǒng)。速度干涉儀的出現(xiàn)曾經(jīng)很好地解決了位移干涉儀存在的頻響問題。但是， 在測量自由面速度時(shí)，速度干涉儀要求樣品表面研磨拋光成鏡面，且不能鑒別加速減速過 程。1972年，Barker和Hollenbach建立了任意反射面的速度干涉儀（VISAR)系統(tǒng)，它被 用來代替速度干涉儀測量高速運(yùn)動物體表面速度。VISAR既可測量鏡反射表面的樣品， 也可測量漫反射表面的樣品，同時(shí)可以鑒別加速減速過程（Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface,J. Appl. Phys. ,L. M. Barker and R. E. Hollenbach) 〇
[0003] 最初，由于受到光電倍增管-示波器記錄系統(tǒng)的制約，VISAR的時(shí)間分辨只能 做到納秒量級，滿足不了人們在許多現(xiàn)象上的觀測要求。為了改善這種狀況，1983年， Bloomquist和Sheffield對VISAR的光路進(jìn)行改動，并以電子條紋相機(jī)代替光電倍增 管-示波器記錄系統(tǒng)，改造后的系統(tǒng)被稱為光學(xué)記錄速度干涉儀（ORVIS)，其時(shí)間分辨 能力主要受限于條紋相機(jī)。因此，達(dá)到了皮秒時(shí)間分辨的水平（Optically recording interferometer for velocity measurements with subnanosecond resolution,J. Appl. Phys.，D. D. Bloomquist and S. A. Sheffield)。1998年，Celliers等人又利用條紋相機(jī)的空 間分辨能力，通過在VISAR中引入成像系統(tǒng)，構(gòu)造了成像型VISAR，并在測量激光驅(qū)動沖擊 波的實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了皮秒時(shí)間分辨和亞微米的一維空間分辨（Accurate measurement of laser-driven shock trajectories with velocity interferometry, Appl. Phys. Lett.，P.M.Celliers，G.W. Collins，L.B. Da Silva，D.M. Gold，and R.Cauble)。此后，這些 技術(shù)被廣泛應(yīng)用在與沖擊波傳播相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，如高壓狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)、材料動力學(xué) 性能實(shí)驗(yàn)以及慣性約束聚變中的沖擊波時(shí)序調(diào)控實(shí)驗(yàn)等。
[0004] 在VISAR系統(tǒng)中，條紋相機(jī)作為重要的組成部分是必不可少的，它影響著系統(tǒng)的 時(shí)間分辨能力。然而，條紋相機(jī)的昂貴價(jià)格使VISAR的建造成本居高不下，大大地限制了該 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種啁啾脈沖速度干涉儀，可應(yīng)用于高速運(yùn)動物體表面速度的測量， 物體表面可以是任意反射面；使用光譜儀記錄系統(tǒng)，在達(dá)到高時(shí)間分辨的同時(shí)，有效地控制 了系統(tǒng)建造成本。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施列提供了如下技術(shù)方案：
[0007] -種啁啾脈沖速度干涉儀，寬帶脈沖激光光源輸出的激光脈沖通過起偏器和脈沖 展寬器成為線偏振的線性啁啾脈沖，然后分為偏振方向相互垂直的兩束，一束為S偏振光， 另一束為P偏振光，S偏振光經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間延遲器，落后于P偏振光傳輸。兩束光以共軸傳 輸?shù)姆绞奖煌雇哥R聚焦在待測樣品表面，收集并準(zhǔn)直攜帶有樣品表面運(yùn)動信息的反射光， 補(bǔ)償兩束光之間的時(shí)間延遲，使之同步傳輸。將同步后的S、P偏振光投影到相同的偏振方 向上，并以一定的夾角進(jìn)行拍頻干涉疊加，干涉條紋被成像型光譜儀接收。對獲得的干涉條 紋進(jìn)行解譜，得到樣品表面的速度演化過程。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述寬帶脈沖激光光源為超連續(xù)脈沖激光器或飛秒激光器，其 中超連續(xù)脈沖激光器輸出的脈沖光譜范圍為400nm~2000nm，中心波長可調(diào)，通過使用不 同的寬帶濾波器進(jìn)行濾波，可以得到不同中心波長和帶寬的激光脈沖。
[0009] 可選地，所述脈沖展寬器為光柵展寬器、色散玻璃等光學(xué)色散元件，改變展寬器的 參數(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)對啁啾脈沖寬度的調(diào)節(jié)。
[0010] 所述線性啁啾脈沖分為S偏振光和P偏振光是為了便利兩束光之間延遲時(shí)間差的 補(bǔ)償。
[0011] 可選地，所述時(shí)間延遲器為石英玻璃等低色散材料，在S偏振光路中加入一定厚 度的低色散材料，使其經(jīng)歷的光程增加，與P偏振光之間產(chǎn)生一定的延遲時(shí)間差，改變材料 的厚度，即可以實(shí)現(xiàn)對延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。
[0012] 所述待測樣品表面處于凸透鏡的焦平面上，凸透鏡將入射光束聚焦在待測樣品表 面，然后收集樣品表面的散射光，并實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直。
[0013] 所述時(shí)間延遲的補(bǔ)償為P偏振光路中加入光程補(bǔ)償元件，其參數(shù)與所述時(shí)間延遲 器的參數(shù)相同，包括材料種類、品質(zhì)和厚度等；光程補(bǔ)償元件既補(bǔ)償了 S偏振光和P偏振光 之間的延遲時(shí)間差，又保持了兩光束的模擬零程差條件，使該速度干涉儀可以測量任意反 射面的速度。
[0014] 所述S、P偏振光投影到相同的偏振方向上通過在兩束光共同的傳輸路徑上放置 檢偏器實(shí)現(xiàn)，檢偏器和所述起偏器的透振方向成45°夾角，從而使S、P偏振光在相同偏振 方向上的投影強(qiáng)度相當(dāng)。
[0015] 所述成像型光譜儀記錄的干涉條紋為二維圖像，其中光譜軸沿條紋方向垂直于狹 縫。
[0016] 可選地，所述干涉條紋的解譜方法為傅立葉變換方法和小波變換方法。
[0017] 本發(fā)明的技術(shù)方案中，樣品表面的運(yùn)動使入射到其上的激光束產(chǎn)生多普勒頻移， 頻移量的大小與樣品表面的速度有關(guān)。由于S偏振光和P偏振光均為線性啁啾脈沖（脈沖 頻率隨著時(shí)間線性地變化），在單個(gè)激光束中，不同脈沖頻率上產(chǎn)生的多普勒頻移反映了不 同時(shí)刻的物體速度；s、P偏振光之間延遲時(shí)間差的存在，使兩束激光脈沖中的相同頻率成 分經(jīng)歷了不同時(shí)刻的多普勒頻移，即S、P偏振光中的相同頻率成分產(chǎn)生的多普勒頻移量不 同。取s、P偏振光在相同極化方向上的投影，使它們之間發(fā)生干涉。成像型光譜儀記錄到 二維的干涉圖形，它沿光譜儀狹縫方向表示兩束激光脈沖（相同頻率成分）之間的拍頻干 涉，沿光譜軸方向表示不同的頻率成分，（根據(jù)線性啁啾脈沖的性質(zhì)）相當(dāng)于不同的時(shí)刻。 對二維干涉圖形進(jìn)行解譜，從而得到不同時(shí)刻的樣品表面速度。
[0018] 與現(xiàn)有的速度干涉儀（如VISAR)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 1、本發(fā)明方法使用光譜儀記錄系統(tǒng)，相對于VISAR使用的昂貴的條紋相機(jī)記錄系 統(tǒng)，價(jià)格優(yōu)勢明顯，從而有效控制了速度干涉儀的建造成本。
[0020] 2、本發(fā)明方法通過改變?nèi)肷浼す饷}沖的帶寬或啁啾脈沖的脈寬，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 時(shí)間分辨，最高可以達(dá)到飛秒量級；而VISAR的時(shí)間分辨受限于條紋相機(jī)的皮秒分辨能力。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的啁啾脈沖速度干涉儀工作原理圖；
[0022] 其中：1、超連續(xù)脈沖激光器；2、起偏器；3、寬帶濾波器；4、脈沖展寬器；5、反射鏡； 6、偏振分光棱鏡；7、時(shí)間延遲器；8、反射鏡；9、反射鏡；10、偏振分光棱鏡；11、反射鏡；12、 凸透鏡；13、待測樣品；14、偏振分光棱鏡；15、光程補(bǔ)償兀件；16、反射鏡；17、反射鏡；18、 偏振分光棱鏡；19、檢偏器；20、成像型光譜儀。
[0023] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中模擬的樣品表面速度變化曲線；
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中模擬啁啾脈沖各個(gè)波長的多普勒頻移；