532nm全光纤位移干涉仪的研制及应用

发布时间：2020-06-12 12:39

【摘要】：凝聚态介质在快速加载情况下物理性质和状态的变化规律是冲击波物理的主要研究内容。冲击波物理研究在航空航天、地质勘探、国防工业和交通运输等领域有着广泛的实际运用。冲击波物理研究的主要特点是对波的传播和解析,而冲击波的传播速度同介质的声速量级相当(10km/s)。因此,要求诊断测试系统的响应时间为纳秒量级甚至更快。激光干涉测速技术具有良好的时间分辨率、速度分辨率、非接触性和测速范围广等优点,当其出现后迅速成为冲击波物理实验中主流诊断方法。因此,探索和发展新的激光干涉测速系统,不断提高其性能参数同时拓展应用范围,在冲击波物理领域仍然具有重要的实用价值和应用前景。本文从传统的迈克尔逊干涉仪着眼,对激光位移干涉仪进行了系统的研究,分析了其理论原理,技术要求、数据处理方法、限制因素、适用条件等。为了减弱限制因素,拓宽适用范围,设计并且搭建了短波长激光位移干涉系统。对该系统在静态和动态下分别进行了对比验证实验,比较其相对于传统激光位移干涉仪的性能特点。论文的主要工作包括以下几点:1:简单介绍了激光干涉测速仪的发展历史和各类干涉仪的应用范围。简述了激光干涉测速仪的基本结构和原理。将激光干涉测速仪中光谱宽度、初始相位差和信号调制度等因素对干涉信号质量的影响一一进行了分析。从分析中可知当信号光和参考光光程不相等时,一般使用单频激光器来保证信号光和参考光具有较小的光谱宽度和稳定的初始相位差确保最后能得到质量较高的干涉信号。在参考光和信号光光强相等时,干涉条纹的信号调制度最大。2:简单介绍了条纹干涉信号中最常用的处理方法-短时傅里叶变换。分析了常用的几种窗函数在处理条纹信号时的优缺点,及我们使用的汉宁窗函数具有频率辨识度较低及旁瓣小的特点。在对短时傅里叶变换的进一步分析中,我们发现其时间分辨率和频率分辨率的乘积存在下限,时间宽度不能随着频率的变化而变化,时间宽度必须超过一个条纹周期等缺点。为了克服这些缺点同时降低经济成本,我们提出了在一台激光器的前提条件下用短波长光源(以532 nm激光光源为例)来代替传统的长波长光源(以1550 nm激光光源为例)的设想以解决低速撞击下的粒子速度测量问题。3:在使用2*2光纤耦合器代替难以从市场上直接采购的关键元器件532 nm环形器后搭建了短波长位移干涉仪并且分别进行了静态和动态对比实验。在静态实验中,我们发现当参考光和信号光具有相同光路时,条纹调制度稳定,抗干扰能力强。在与传统1550 nm位移干涉仪的低速碰撞对比实验中,我们对干涉条纹信号进行分析发现532 nm位移干涉仪具有时间分辨率更高、理论速度分辨率更精确、测得的雨功纽弹性极限(HEL)更接近真实值等优点。除此之外,我们发现多模光纤由于色散的影响会造成干涉信号调制度不稳定,降低条纹质量。因此使用单模光纤代替多模光纤。
【图文】：

干涉仪,结构示意图,公式,分束镜

并且测量出了１０６０铝的自由面粒子速度在３０ｍ／ｓ低速撞击下随时间的变化历逡逑史［３］。逡逑如图１．１是该仪器的结构示意图，由激光器射出的激光经过分束镜被分成两束，逡逑其中一束打在固定的反射镜］＾上，并反射回来经过分束镜，另一束光打在样品自由逡逑面，，原路返回也经过分速镜，两束光在经过分束镜后合束，并发生干涉，经过反射逡逑镜Ｍ２ｇ，最后被光电探测器检测。当冲击波传到样品自由面时，样品自由面发生位逡逑移，当位移距离达到ｆ时，在光电探测器上就出现一个完整的干涉条纹信号。根据逡逑光电探测器得到的条纹信号随时间的变化历史，就能得到位移随时间的变化规律，逡逑再对其进行随时间的微分就可得到了自由面粒子速度随时间的变化规律。逡逑１逦２逦３邋Ｍｉ逡逑１门￣Ｉ￣逦0逦１：飞片逡逑＼、＇逦＼邋Ｍ２邋２：样品逡逑令邋0邋＼４邋＞逦＼逦３：反射镜逡逑“、逦＼逦４：分束镜逡逑」Ｕ逦Ｓ逦５：透镜逡逑＾逦＾逦６：激光器逡逑逦＾逦７：光电探测器逡逑个邋、逦逦—逡逑、，逡逑６逦｜逦｜邋７逡逑图１．１激光位移干涉仪结构示意图逡逑如公式（１－１）所示。逡逑Ｓ（ｔ）邋＝邋＾－Ｆ（ｔ）逡逑＿邋ｄＳ邋（0邋＿邋Ａ0逦（１＿１）逡逑其中Ｓ（ｒ）表示位移随时间的变化函数，表示条纹信号的周期数，七表示激光的波逡逑长

激光速度干涉仪,结构示意图,公式

带宽不足对探测速度范围的限制，测量出了ＰＭＭＡ、融石英、蓝宝石的粒子速度历逡逑史。逡逑如图１．２是该仪器的结构示意图。激光器射出的激光经过透镜、固定的反射逡逑镜厘１后被聚焦在样品上后反射回来并被反射镜Ｍ２反射，在经过分束器后被分成两逡逑束，其中一束为参考光，另一束为信号光。参考光经过的光程大于信号光，这段光逡逑程造成固定的时间延迟。信号光与参考光合束后发生千涉并由光电倍增管记录。两逡逑束光由于都经过样品，因此都带有多普勒频移。其中一束光（信号光）对应的频逡逑率为／（0；其中另一束光（参考光）由于光程较长，而引入时间延迟Ｔ，对应的频率逡逑为／０－Ｔ）。因为两束光在到达样品时，对应的频率不同，因此会发生干涉。对应的逡逑干涉频率与Ｍ⑴和Ｍ（ｆ—Ｔ）的差成正比，光电倍增管记录下总条纹数即与最后的速度逡逑成正比。－逡逑！邋２逦１：飞片逡逑ｎ逦２：样品逡逑３逦３：反射镜逡逑Ｍｉ逦４：分g?镜逡逑＾逦＼逦｜逦５：透镜逡逑Ｖ逦６：激光器逡逑Ｕ邋Ｕ逦１逦，，逦７：光电倍增管逡逑５＜４＝ｉ＾邋４逦４逦７逡逑Ｉ邋１逦３逦山逡逑６逦７逡逑图１．２激光速度干涉仪结构示意图逡逑如公式（１
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.3

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