超快脈沖激光干涉技術(shù)及其在沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程診斷中的應(yīng)用.pdf

1、脈沖激光頻域干涉技術(shù)是近10年以來(lái)國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸式激光干涉測(cè)試技術(shù)，具有飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨力和亞納米量級(jí)的位移分辨力，結(jié)合泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)超快過(guò)程中物理參數(shù)的測(cè)量，是獲得材料在飛秒或皮秒脈沖激光加載下動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化歷史的重要方法，目前美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家的人已經(jīng)建立了脈沖激光頻域干涉技術(shù)。研制該技術(shù)的重要意義在于發(fā)展材料在超快脈沖激光加載下響應(yīng)特性的測(cè)量手段，促進(jìn)超快動(dòng)力學(xué)物理機(jī)制的研究，對(duì)高能密度

2、物理和武器物理研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。
　　為了推動(dòng)脈沖激光頻域干涉技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和完善，使我國(guó)也具備測(cè)量飛秒脈沖激光與材料相互作用過(guò)程中沖擊動(dòng)力學(xué)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(shù)，可用于測(cè)量材料在平面分布沖擊波或中心對(duì)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(cè)量材料在非中心對(duì)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(shù)，對(duì)這兩種技術(shù)的工作原理、設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)處理方法

3、、調(diào)試方法和實(shí)驗(yàn)方法均進(jìn)行了詳細(xì)的分析。主要工作內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　1、根據(jù)日本東京大學(xué)E.Tokunaga等人對(duì)頻域干涉現(xiàn)象的詮釋，本文對(duì)頻域干涉技術(shù)的工作原理進(jìn)行了深入細(xì)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(shí)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?；跁r(shí)域干涉原理和頻域干涉條件，對(duì)頻域干涉信號(hào)特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了頻

4、域干涉儀輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)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(qiáng)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(hào)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(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)頻域干涉技術(shù)的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)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(jì)算步驟得到頻域干涉儀測(cè)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(kuò)展一反傅立葉變換一數(shù)字濾波的計(jì)算步驟得到頻域干涉儀測(cè)量的傳輸時(shí)間差，如果不考慮被測(cè)物體表面光學(xué)折射率的變化，頻域干涉儀測(cè)量的傳輸時(shí)間差或傳輸相位差與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)位移的關(guān)系為:s=Tc/2=λφ/4π
　　式中，s為被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)位移，T為參與頻域干涉的兩脈沖傳輸時(shí)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(zhǎng)。分析結(jié)論表明通過(guò)計(jì)算頻域干涉儀測(cè)量的傳輸時(shí)間差或傳輸相位差均可得到待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)位移歷史，其區(qū)別在于傳輸相位差的計(jì)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(jì)算方法并結(jié)合頻域干涉儀的設(shè)計(jì)方法，本文研制的頻域干涉儀時(shí)間測(cè)量精度優(yōu)于0.001fs，位移分辨力高于0.1nm。
　　3、通過(guò)對(duì)飛秒脈沖激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理的分析，提出了采用探測(cè)脈沖垂直入射被測(cè)物體表面

7、的方式設(shè)計(jì)頻域干涉儀的泵浦一探測(cè)實(shí)驗(yàn)光路，改進(jìn)了國(guó)外探測(cè)脈沖斜入射被測(cè)物體表面的方法，并設(shè)計(jì)了新型飛秒脈沖激光頻域干涉儀，與英國(guó)R.Evans等人設(shè)計(jì)的干涉儀相比，新型脈沖激光頻域干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，不但可測(cè)量金屬膜在飛秒脈沖激光作用下的運(yùn)動(dòng)速度剖面，而且還可直接測(cè)量沖擊波速度。
　　4、對(duì)頻域干涉儀的輸出信號(hào)進(jìn)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(shí)間差T越小，則頻域干涉條紋越稀;而時(shí)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(shí)間差緊密相關(guān)，根據(jù)這種結(jié)論提出了泵浦一探測(cè)實(shí)驗(yàn)中泵浦脈沖和探測(cè)脈沖的同步方法，理論同步精度高于脈沖激光器脈寬，并設(shè)計(jì)了光路延遲器單步長(zhǎng)延遲時(shí)間的標(biāo)定方法。
　　5、設(shè)計(jì)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(diào)試方法，采用光譜模式頻域干涉儀測(cè)量了200nm厚度鋁膜在功率密度為1011W/cm2量級(jí)的飛秒脈沖激光作用下的縱波聲速，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表明具有

9、高時(shí)空分辨力的頻域干涉儀可用于探測(cè)脈沖激光作用材料誘導(dǎo)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(cè)量了200nm厚度鋁膜在功率密度為1014W/cm2量級(jí)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(cè)量結(jié)果表明實(shí)測(cè)的沖擊波速度和波后粒子速度滿足鋁材料的Hügoniot關(guān)系式。
　　6、基于美國(guó)K.T.Gahagan等人對(duì)超快顯微干涉技術(shù)的報(bào)道和球面波的干涉場(chǎng)理論，對(duì)超快顯微干涉技術(shù)的工作原

10、理、設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的思路。通過(guò)對(duì)飛秒脈沖激光超快顯微干涉儀實(shí)驗(yàn)信號(hào)的理論分析和數(shù)值模擬，揭示了導(dǎo)致飛秒超快顯微干涉場(chǎng)條紋對(duì)比度衰減的重要原因是飛秒脈沖激光器的線寬較寬。
　　7、設(shè)計(jì)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(cè)量金屬膜在皮秒脈沖激光作用下的運(yùn)動(dòng)位移/速度歷史，其測(cè)量結(jié)果不僅為超快顯微干涉儀的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置