啁啾脈沖頻域干涉及其在沖擊波測(cè)量上的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用研究引起了越來越多的關(guān)注。短脈沖激光與物質(zhì)相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其中人們感興趣的區(qū)域往往發(fā)生在亞皮秒時(shí)間尺度，由此要求相關(guān)測(cè)試技術(shù)必須具有更高的時(shí)間分辨能力。啁啾脈沖頻域干涉儀（CPSI）作為一種時(shí)-空分辨的連續(xù)測(cè)試技術(shù)，最高可以達(dá)到飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨，從而為超快激光與物質(zhì)相互作用研究提供了一種重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊波寬度窄、壓力高，對(duì)于研究材料在超高應(yīng)變率條件下的

2、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性和高壓狀態(tài)方程具有重要意義。但是，目前人們對(duì)飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊波的認(rèn)識(shí)和研究十分有限，其中一個(gè)重要原因是缺乏穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。因此，探究啁啾脈沖頻域干涉測(cè)量技術(shù)并將其應(yīng)用到飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊波的研究中意義重大。
　　本論文首先理論分析了CPSI測(cè)量探測(cè)脈沖時(shí)域相位擾動(dòng)的過程。研究了頻譜干涉條紋數(shù)據(jù)截短對(duì)時(shí)域相位擾動(dòng)重建的影響，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)截短會(huì)減小重建時(shí)域相移的有效長(zhǎng)度。如果在重建過程中探測(cè)脈沖頻域相移向時(shí)域相移的轉(zhuǎn)換采用

3、傅里葉變換映射方式，數(shù)據(jù)截短還會(huì)導(dǎo)致重建信號(hào)的時(shí)間分辨下降和振蕩，此時(shí)在進(jìn)一步的求導(dǎo)處理之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑。當(dāng)頻-時(shí)相移轉(zhuǎn)換采用直接映射方式時(shí)，對(duì)比研究了從頻譜條紋中提取探測(cè)脈沖頻域相移的兩種解譜模式。在無噪聲頻譜條紋情況下，傅里葉變換模式解譜的重建誤差低于小波變換模式，而且有效數(shù)據(jù)截短不會(huì)引起重建信號(hào)的振蕩，有利于其求導(dǎo)處理后的數(shù)據(jù)分析；在頻譜條紋帶有隨機(jī)白噪聲的情況下，重建信號(hào)開始出現(xiàn)振蕩，這時(shí)小波變換表現(xiàn)出了更好的噪聲抑制能力

4、，因此更適合處理低信噪比的條紋圖形。
　　對(duì)于CPSI中使用的線性啁啾脈沖的產(chǎn)生，研究并利用兩塊光柵搭建了一個(gè)啁啾脈沖產(chǎn)生模塊，用來將飛秒激光展寬為線性啁啾脈沖。為了測(cè)量線性啁啾脈沖的啁啾系數(shù)，提出了一種線性光學(xué)測(cè)量方法——非對(duì)稱頻域干涉法。理論和數(shù)值模擬研究了非對(duì)稱頻域干涉法的原理和適用范圍，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高斯和其他波形的啁啾脈沖，非對(duì)稱頻域干涉法均可適用；但是當(dāng)啁啾脈沖的啁啾量過小時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差會(huì)明顯增大；此外，考慮參考脈沖中引

5、入啁啾時(shí)的情況，非對(duì)稱頻域干涉法測(cè)到的啁啾系數(shù)是參考脈沖啁啾和待測(cè)啁啾共同作用的結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量啁啾脈沖產(chǎn)生模塊展寬飛秒激光得到的啁啾脈沖，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率隨時(shí)間的變化近似為線性，與模塊的展寬特性一致，從而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非對(duì)稱頻域干涉法的可行性。
　　設(shè)計(jì)并搭建了一套利用飛秒激光振蕩器模擬飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊波和CPSI超快診斷的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過對(duì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究，突破并掌握了其中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，從而為開展動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)保障。基

6、于皮秒啁啾激光脈沖，開展了激光在鋁膜中驅(qū)動(dòng)沖擊波和CPSI超快診斷的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)沖擊波傳播到達(dá)鋁膜自由面時(shí)，CPSI對(duì)自由面啟動(dòng)前后一段時(shí)間內(nèi)的位移和速度演化過程進(jìn)行了單發(fā)超快測(cè)量，測(cè)試量程和相應(yīng)的時(shí)間分辨分別為562.5ps和3.1ps，從而完成了CPSI超快診斷技術(shù)的原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。
　　為了增大 CPSI診斷技術(shù)的測(cè)試量程，利用線性啁啾脈沖序列和光譜儀-條紋相機(jī)記錄系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種掃描頻域干涉儀。理論和數(shù)值模擬研究了該干涉儀

7、原理及其對(duì)時(shí)域相位擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量，結(jié)果表明，掃描頻域干涉儀的時(shí)間分辨本領(lǐng)與CPSI相同，但測(cè)試量程更大；此外，盡管不同的記錄系統(tǒng)采樣時(shí)間會(huì)導(dǎo)致頻譜條紋的分布存在差異，其并不影響信號(hào)測(cè)量的精度。針對(duì)任意反射面的速度干涉儀（VISAR）存在的不足，本論文基于成像型光譜儀，研究設(shè)計(jì)了一種啁啾脈沖速度干涉儀。理論研究其原理和測(cè)速特性，發(fā)現(xiàn)該速度干涉儀可以實(shí)現(xiàn)皮秒記錄時(shí)間分辨；通過產(chǎn)生沿光譜軸方向的干涉條紋，降低了對(duì)光譜儀光譜分辨率的要求；通過采