超快脈沖激光干涉技術及其在沖擊動力學過程診斷中的應用.pdf

1、脈沖激光頻域干涉技術是近10年以來國外發(fā)展起來的一種新型非接觸式激光干涉測試技術，具有飛秒量級的時間分辨力和亞納米量級的位移分辨力，結合泵浦-探測實驗方法，可實現(xiàn)超快過程中物理參數(shù)的測量，是獲得材料在飛秒或皮秒脈沖激光加載下動力學參數(shù)隨時間變化歷史的重要方法，目前美國、英國、法國和日本等國家的人已經(jīng)建立了脈沖激光頻域干涉技術。研制該技術的重要意義在于發(fā)展材料在超快脈沖激光加載下響應特性的測量手段，促進超快動力學物理機制的研究，對高能密度

2、物理和武器物理研究具有重要的現(xiàn)實意義和應用前景。
　　為了推動脈沖激光頻域干涉技術在國內的發(fā)展和完善，使我國也具備測量飛秒脈沖激光與材料相互作用過程中沖擊動力學參數(shù)的能力，本論文不但深入研究了脈沖激光頻域干涉技術，可用于測量材料在平面分布沖擊波或中心對稱分布沖擊波作用下的沖擊波速度和波后粒子速度剖面，而且還研究了可測量材料在非中心對稱分布沖擊波作用下波后粒子速度剖面的超快顯微干涉技術，對這兩種技術的工作原理、設計方法、數(shù)據(jù)處理方法

3、、調試方法和實驗方法均進行了詳細的分析。主要工作內容及創(chuàng)新點歸納如下:
　　1、根據(jù)日本東京大學E.Tokunaga等人對頻域干涉現(xiàn)象的詮釋，本文對頻域干涉技術的工作原理進行了深入細致的研究，得到了頻域干涉的基本條件為:T＜dsinθ/c
　　式中，T為參與頻域干涉的兩脈沖傳輸時間差，d為光譜儀的光柵常數(shù)，c為真空中光速，θ為光譜儀中特征譜線的衍射角。基于時域干涉原理和頻域干涉條件，對頻域干涉信號特征進行了詳細分析，得到了頻

4、域干涉儀輸出信號的數(shù)學表達式為:I(f)=I0(f)[1+R+24√Rcos(2πfT-φ)]
　　式中，f為光波頻率，T為參與頻域干涉的兩脈沖傳輸時間差，φ為參與頻域干涉的兩脈沖傳輸相位差，R為參與頻域干涉的兩脈沖光強比值，I0(f)為脈沖激光器的光譜分布函數(shù)，I(f)為頻域干涉信號的光譜分布函數(shù)。
　　2、根據(jù)Michelson干涉儀的數(shù)據(jù)處理方法和頻域干涉信號的數(shù)學表達式，對頻域干涉技術的數(shù)據(jù)分析方法進行了深入研究，研

5、究發(fā)現(xiàn)可以采用變量代換一等間隔插值一反傅立葉變換一數(shù)字濾波的計算步驟得到頻域干涉儀測量的傳輸相位差，另外可采用變量代換一等間隔插值一數(shù)據(jù)擴展一反傅立葉變換一數(shù)字濾波的計算步驟得到頻域干涉儀測量的傳輸時間差，如果不考慮被測物體表面光學折射率的變化，頻域干涉儀測量的傳輸時間差或傳輸相位差與被測物體運動位移的關系為:s=Tc/2=λφ/4π
　　式中，s為被測物體的運動位移，T為參與頻域干涉的兩脈沖傳輸時間差，φ為參與頻域干涉的兩脈沖傳

6、輸相位差，λ為脈沖激光器的工作波長。分析結論表明通過計算頻域干涉儀測量的傳輸時間差或傳輸相位差均可得到待測物體的運動位移歷史，其區(qū)別在于傳輸相位差的計算精度較高，但要根據(jù)邊界條件判斷傳輸相位差是否存在π相位突變，采用傳輸相位差的計算方法并結合頻域干涉儀的設計方法，本文研制的頻域干涉儀時間測量精度優(yōu)于0.001fs，位移分辨力高于0.1nm。
　　3、通過對飛秒脈沖激光與物質相互作用機理的分析，提出了采用探測脈沖垂直入射被測物體表面

7、的方式設計頻域干涉儀的泵浦一探測實驗光路，改進了國外探測脈沖斜入射被測物體表面的方法，并設計了新型飛秒脈沖激光頻域干涉儀，與英國R.Evans等人設計的干涉儀相比，新型脈沖激光頻域干涉儀具有結構簡單、調試方便等優(yōu)點，不但可測量金屬膜在飛秒脈沖激光作用下的運動速度剖面，而且還可直接測量沖擊波速度。
　　4、對頻域干涉儀的輸出信號進行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn):參與頻域干涉的兩脈沖之間的傳輸時間差T越小，則頻域干涉條紋越稀;而時間延遲T越大

8、，則頻域干涉條紋越密，即頻域干涉儀輸出的條紋數(shù)目與兩脈沖之間的傳輸時間差緊密相關，根據(jù)這種結論提出了泵浦一探測實驗中泵浦脈沖和探測脈沖的同步方法，理論同步精度高于脈沖激光器脈寬，并設計了光路延遲器單步長延遲時間的標定方法。
　　5、設計了光譜模式頻域干涉儀和影像模式頻域干涉儀，并提出了具體的調試方法，采用光譜模式頻域干涉儀測量了200nm厚度鋁膜在功率密度為1011W/cm2量級的飛秒脈沖激光作用下的縱波聲速，實驗測量數(shù)據(jù)表明具有

9、高時空分辨力的頻域干涉儀可用于探測脈沖激光作用材料誘導的超聲波的波速;采用光譜模式頻域干涉儀和影像模式頻域干涉儀測量了200nm厚度鋁膜在功率密度為1014W/cm2量級的飛秒脈沖激光作用下的沖擊波速度、波后粒子速度和鋁膜表面形貌變化歷史，測量結果表明實測的沖擊波速度和波后粒子速度滿足鋁材料的Hügoniot關系式。
　　6、基于美國K.T.Gahagan等人對超快顯微干涉技術的報道和球面波的干涉場理論，對超快顯微干涉技術的工作原

10、理、設計方法和數(shù)據(jù)處理方法進行了深入研究，提出了采用等傾干涉條紋數(shù)據(jù)分析方法處理超快顯微干涉儀實驗數(shù)據(jù)的思路。通過對飛秒脈沖激光超快顯微干涉儀實驗信號的理論分析和數(shù)值模擬，揭示了導致飛秒超快顯微干涉場條紋對比度衰減的重要原因是飛秒脈沖激光器的線寬較寬。
　　7、設計了一種緊湊性全光纖位移干涉儀，該干涉儀可采用Φ2.5或Φ1.25光纖探頭測量金屬膜在皮秒脈沖激光作用下的運動位移/速度歷史，其測量結果不僅為超快顯微干涉儀的實驗參數(shù)設置