高速粒子场瞬态多幅体全息照相技术研究

发布时间：2020-06-02 19:01

【摘要】：粒子场是生物、航天、化工、医学、国防、材料动态响应等科研领域的重要研究对象,其在不同领域具有不同的整体及细节特征。在材料的动态响应研究领域,粒子场普遍存在速度高、颗粒小、空间分布范围广的特点。针对这些特点,底片式的脉冲激光全息技术以其高空间分辨、大视场、三维诊断、瞬态曝光等优势长期应用于这一领域的高速粒子场诊断,采用的主要记录材料为银盐全息干板。但是,采用该方案实现超快过程的瞬态多幅全息照相却是困难的。银盐干板进行高速过程多幅照相主要有波长复用、角度复用两种方案。由于银盐干板只能记录薄全息图,角度复用时空间上难以将多幅图像分开,进而限制了帧数以及图像信噪比。同样由于银盐干板为薄全息材料的原因,波长复用时需要非常大的光谱跨度才可实现,进而同样限制了帧数以及图像信噪比。为了解决帧数限制这一问题,本论文从体全息领域寻找突破点。体全息被视为下一代只读存储的核心技术,相比于表面存储以及薄全息等二维记录技术,其最大的优势在于对深度(体积)的利用。体全息结合多种复用技术可以在同一记录体积内实现海量数据存储。但是,若直接将现有技术用于高速粒子场瞬态多幅全息记录,则将遇到体全息材料灵敏度不足、单脉冲曝光响应不明显、多幅方案瞬态适应性差等关键问题,进而限制体全息技术与高速粒子场瞬态多幅全息诊断技术的结合。本文以克服上述技术难题,促成高速粒子场全息诊断与体全息技术的结合为目的,以解决高速粒子场全息诊断过程中的幅数限制为研究目标,分别从理论模拟、体全息材料灵敏度提升、体全息图像记录影响因素分析、瞬态多幅体全息方案设计与实验实现等方面展开研究。在理论模拟方面,本文借鉴了 Kogelnik的经典耦合波动理论(解决二维单一体光栅衍射问题)推导过程,重新推导并建立了可与角谱理论实现参量耦合的三维多体光栅耦合波动理论,给出数值求解方法及与角谱理论的参量耦合方法,并通过算例对理论的可行性进行了证明。在体全息材料灵敏度提升方面,本文提出了一种新的基于双PD的时分复用体全息材料灵敏度实时测试方法,应用该方法对49种体全息材料配方的样片进行测试,通过迭代优化,最终得到三种在单脉冲曝光下可实现高效且高质量响应的体全息配方。该方法易于实现自动化,且对安装误差、区域间误差、材料收缩具有更好的适应性,还可回避双波长实时测量方法对探测光谱的要求,更加适于材料的研制开发。在体全息图像记录影响因素研究方面,本文从曝光量、波前失配以及材料曝光后的散射因素进行了分析。研究表明,适当的曝光量形成较低的衍射效率比接近最高衍射效率更有利于图像的精确重现:再现光发散角与参考光不一致时主要影响光场的亮暗分布,并不会影响再现图像的分辨率;散射因素是影响图像重建对比度的因素之一,散射因素对每一幅全息图的最低衍射效率提出要求。通过散射分析,本文最终确定了两种更适用于瞬态多幅体全息记录的材料配方。在方案设计与实验实现方面,本论文设计了一种基于序列脉冲激光器、Pockels Cell阵列以及体全息角度复用技术的粒子场瞬态多幅体全息记录方案,该方案兼顾了体全息材料的角度复用特点、粒子场记录特点、系统的快速调试方法以及系统的精确同步等方面。同时,针对脉冲激光加载生成的高速粒子场,本文开展了瞬态多幅体全息记录实验,得到四个时刻的瞬态体全息图像,实验结果充分验证了本方案的可行性。最后,通过实验结果的分析,本方案在角度空间上还有较大复用潜力,在激光能量充足的情况下可实现更多幅瞬态体全息记录。
【图文】：

高速粒子场瞬态多幅体全息照相技术研究

图１．１多种场景中的粒子场逡逑⑷材料动态响应；（ｂ）高密度喷雾；（ｃ）血红细胞；（ｄ）错粉燃烧；（ｅ）浮游生逡逑物；（ｆ）四缸发动机内部流场逡逑全息技术作为本论文的重点，也是粒子场诊断中的重要技术，已经在多种场合取得逡逑２逡逑

高速粒子场瞬态多幅体全息照相技术研究

图１．２美国空军研制的粒子场全息诊断系统及其诊断的颗粒度分布逡逑随后全息技术在粒ｆ场诊断屮进入／快速的应⑴期，，以美国为首的发达国家采用全逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O438.1

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