高速运动飞片的F-P干涉测量技术研究

为了测试在冲击波或爆轰波作用下各种材料样品的自由面速度随时间变化的过程,提出了一种利用法布里-珀罗(F-P)光学共振腔的选频特性进行多普勒频移绝对量的检测来连续测量飞片运动速度的方法,建立了一套基于此方法的测量装置,并利用金属箔电爆炸驱动聚酰亚胺薄膜飞片装置对所研制的F-P干涉测速仪进行了原理性实验验证。利用所研制的F-P干涉测速仪测量了飞片速度在60ns的时间内由静止加速到大于3km/s的速度的全过程,测量数据的不确定度小于5%。与其它激光测速装置相比,该干涉仪具有体积小、结构简单紧凑和成本低的特点,在爆轰物理与冲击波物理实验研究中具有较好的应用前景。     

Mach—Zehnder干涉仪在环形染料激光器中的应用

在染料激光腔内用Mach-Zehnder干涉仅取代空气间隔法珀干涉仪作单模选择元件,减小了腔内损耗,提高了单模染料激光的输出功率。     

爆轰实验中接触测量与非接触测量的应用对比

以爆轰实验中常用的电探针测试系统和激光干涉测速系统为例,研究接触测量与非接触测量对爆轰实验测试结果的影响。在平面爆轰波驱动金属飞片实验中,利用电探针测试飞片到达固定位置处的时刻,同时利用VISAR测试飞片飞行速度历史,对两者的测试数据进行对比分析,结果表明:光杆探针与卷筒探针的第一台阶测试结果一致,卷筒探针的第二台阶由于飞溅物等原因,比光杆探针提前导通约0.1μs;3个层面的光杆探针测试结果与任意反射表面的速度干涉仪(VISAR)测试结果一致。分析认为,在爆轰实验中,由于被测物体处于高温高压状态,且运动速度很快,接触测量产生的测力也将随之加大,在固定点位置,接触测量将对飞片上此点的后期运动产生明显影响;对于被测飞片的整体运动,由于电探针尺寸重量等远小于飞片,接触测量在固定点造成的影响对整个飞片来讲可以忽略不计,因此得到与非接触测量一致的测试结果。     

Fabry-Perot干涉仪测量爆轰加载下的飞片自由面速度

为了获得有效的爆轰加载下的飞片自由面速度剖面的测量结果,设计了一种紧凑的Fabry-Perot干涉仪。采用固定腔结构使该干涉仪能够抗机械振动干扰并产生稳定的干涉条纹,可以做到在实验中免除干涉仪的调节,从而提高实验效率。采用光纤传光的方式使得实验具有更大的灵活性。用该干涉仪成功测量了φ40mm×20mm的T/Γ35/65炸药爆轰加载下的1.5 mm厚钢飞片的自由面速度,测得的最高速度大于2 km/s,给出了干涉条纹的狭缝扫描图像以及连续的自由面速度历史。     

激光稳频的共焦法布里-珀罗干涉仪

针对多普勒激光雷达激光源短期频率漂移低于1 MHz的要求,设计了一种共焦干涉仪作为频率标准进行稳频。通过对三种不同材料制成的共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪中心频率随温度漂移情况进行分析对比,选用零膨胀微晶玻璃材料制作共焦法布里-珀罗干涉仪,腔镜和隔离器通过光胶的方式进行组合,并且置于温控精度优于0.01 K的双层密封温控箱中。经过实验测量,共焦法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围为370 MHz,透射谱半峰全宽(FWHM)为1.7 MHz,精细度为220。采用该共焦干涉仪进行稳频,理论稳频精度可达0.15 MHz,满足激光多普勒雷达单频激光源的稳频要求。     

同时线成像和分幅面成像任意反射面速度干涉仪测速技术

研制了一套线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)用于激光驱动飞片速度场时空分辨测量。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹,实现靶面一条线上各点速度历史和多个时刻二维靶面上所有点速度的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有小于10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力,线成像VISAR时间分辨小于50ps,面成像VISAR曝光时间小于5ns。用其测量了激光驱动带约束刀口铝膜飞片的速度场,给出了高时空分辨全场速度分布,从中可以清晰看出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR将是各种飞片产生技术及相应加载手段中全场速度诊断的有力工具。     

液体填充增敏型法布里-珀罗微腔光纤温度传感器

为了提高传统空气腔法布里-珀罗(法珀)干涉仪的温度灵敏度,提出了一种基于液体填充的增敏型 法珀微腔光纤温度传感器。传感器采用标准单模光纤与二氧化硅毛细管制作长度为微米量级的光纤法珀微腔并填充以液体。对所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器,由反射光谱通过相关算法计算绝对腔长的方式实现温度解调。理论和实验均表明,该液体填充型法珀微腔传感结构具有明显的温度增敏效果。对于腔长为~12.140 μm的液体填充法珀微腔光纤温度床感器,其腔长-温度灵敏度达到了2.185 nm/℃,高于作为参照的非填充空气腔法珀光纤温度传感器高一倍左右,增敏效果明显。     

时间拉伸光子多普勒测速技术研究

在瞬态高速测速场景中,目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s,因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性,在光域中完成信号降频处理,降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统,飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域,避免了速度信号的采样间断;信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿,减小了因为位移引入的系统误差,从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片,测试了文中测速系统在记录时间1.2 μs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源,第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤,构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz,通过与光子多普勒测速系统进行结果比对,实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量,为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。     

基于法布里-珀罗低相干干涉的绝对距离测量系统

提出了一种基于光纤法布里-珀罗低相干干涉的 绝对距离测量系统,不仅能对绝对距离进行测 量,而且还能对温度、压力、应力等量进行绝对测量。系统利用闪耀光栅将来自法布里-珀 罗干涉仪的低相 干干涉信号进行散射,使不同波长的干涉信号由线阵CCD 不同的像元探测。利用CCD探测到 的干涉信号 相邻波谷的波数差得到法布里-珀罗干涉仪的腔长,从而实现绝对距离测量。与其它低相干 干涉测量系统相 比,此系统无需扫描干涉仪的光程,一次成像即实现测量。测量系统简单,测量速度快,对 静态物理量和 动态物理量都能进行测量。系统的光纤结构使得它还能进行远程测量。实验结果表明系统对 绝对距离测量的分辨率可达3.317 nm,10次重 复测量的标准差为10.7 nm。     

用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统

针对目前VISAR等测速仪在测量瞬态高速小飞片速度时调试复杂、测试成功率低等问题,基于光子多普勒效应和自混频原理,采用1 550 nm单模激光,成功研制了一套光子多普勒测速系统。使用该系统测量了不同激光能量密度下的复合飞片瞬时速度,结果显示:该系统测试成功率高,响应速度快,获得的速度曲线完整而清晰。与传统的VISAR和F-P干涉测速仪相比,具有操作简单、测试成功率高、便于携带等非常明显的优势。该系统适用于速度在几百米/s～几千米/s的微小飞片或者微区爆轰的速度测量,也可应用于常规爆炸流场的测试。     

激光驱动飞片实验研究及其应用分析

利用小型固体激光器在100－300mJ能量范围内成功驱动了5.5μm厚度铝飞片，最高速度达到6.6km/s，实验得到飞片速度与能量密度的关系。详细介绍了实验装置，测试系统和实验方法，并对实验测试系统进行了分析。对回收样品的分析表明：飞片具有较好的平面性，完整性和重复性。对激光驱动飞片技术在模拟太空高速微粒的应用可能性进行了分析，目前的研究表明：激光驱动飞片技术可以成为一种模拟太空高速粒子的有效实验手段。     

测量激光束横模结构的方法研究

分析了根据激光场强度相对分布计算激光束横模结构的方法,根据分析结果设计了利用光场分布测量激光束横模结构的实验方法。对所设计的方法进行了仿真验证,同时通过具体实验,对一款调Q激光二极管抽运固体激光器(DPL)的激光束横模结构进行了测量。实验中,在不知道谐振腔参数的情况下,根据设计的方法测量了激光束的各阶横模比例。以测量出的横模比例为基础,理论上重构出激光束,该光束和实际光束的空间传输过程基本吻合。     

基于激光散射的高速微粒测速系统

高速微粒速度测量技术是空间高速粒子地基模拟系统中的一项关键技术。设计并实现了一种利用激光光幕对高速运动微粒的非接触式速度测量系统,分析了测量误差以及进一步提高测量精度的方法。该系统以高功率半导体激光器作为光源,同时采用PIN光电二极管作为光电探测器,利用接收侧向散射光脉冲作为起始和结束信号以测量微粒的平均速度。实验结果表明,该系统可对速度范围为1~10 km/s,直径大于100μm的高速微粒进行测速,精度优于1.8%。     

面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法

针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。     

基于激光驱动的飞片动能数值计算

激光驱动飞片技术在新型动高压加载、模拟太空粒子运动规律方面有重要的应用价值,而基于激光驱动的飞片动能数值计算一直是研究的热点.本文以激光支持的爆轰波(LSDW)为理论基础,通过分析作用于飞片上的爆轰波压强随时间和空间的变化规律,并结合冲量定理以及动量与动能的对应关系解析得到飞片的动能计算式.最后,以铝飞片为例,详细分析了激光的功率密度、脉宽、飞片直径和厚度对飞片动能的影响,结果表明:激光功率密度越高,脉宽越长,飞片直径越大,厚度越小,飞片获得的动能越大.     

采用调幅光波测量无源谐振腔的损耗--实验结果与误差分析

在“小抖动”稳频条件下采用调幅光波测量无源谐振腔损耗 ,给出实验装置及测量结果的误差分析     

基于数字化二次曝光干涉的光学元件波前畸变测量

将傅立叶变换条纹分析方法与二次曝光全息干涉计量相结合，提出了数字化二次曝光干涉术，用于测量光学元件引入的波前畸变。文中给出了理论分析，模拟与光学实验结果证实提出的方法具有高精度、快速的波前测量特点，可应用于激光系统中光学元件的波前畸变在线检测。     

Stabilization of femtosecond mode-locked Ti:sapphire laser forhigh-accuracy pulse interferometry

We propose a method of long-term stabilization of the repetition rate and the spectral envelope in a femtosecond mode-locked (fs-ML) laser pulse by a simple control method without modifying the laser cavity configuration. The effectiveness of the repetition-rate-stabilized fs-ML laser was evaluated in a long-optical-path (LOP) pulse interferometer with a short reference arm. The resulting accuracy in the LOP pulse interferometer was improved to one-seventh that of a free-running fs-ML laser. Moreover, the stabilization of the spectral envelope was estimated to suppress the fluctuation in the phase and group indices of an object under testing by 1/50, which can increase the measurement accuracy in pulse interferometry. The simple and practical stabilization method provides a means to increase the application of pulse interferometry using the fs-ML laser     

基于激光干涉法测水介质正弦压力的动态校准技术

针对动态压力传感器校准中,压力无法直接准确溯源的问题,一种利用激光干涉法测量水介质折射率的方法用于正弦压力校准。压力腔内充满水介质并产生动态压力,以周期型的正弦压力为例,通过激光干涉测量正弦压力下水介质折射率的改变,得到介质动态压力的大小。为了对正弦压力进行精确测量,建立数学模型并进行实验验证,研制专门的解调系统,通过硬件和软件的配合来实现正弦压力的精确测量。通过静态和动态试验验证了基于激光干涉测量压力的数学模型,激光干涉方法来测量动态压力切实可行,实现动态压力的量值溯源到时间、长度等基本量上。