用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪

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1、第２２卷第１０期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０２０１０年１０月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＯｃｔ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１０２２８１０４用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪刘寿先，李泽仁，彭其先，陈光华，刘俊，蒙建华，袁树云（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：设计并建立了一套完整的线成像激光干涉测速系统，用于激光驱动技术中小尺寸飞片或样品一条线上所有点的速度测量。它将激光压缩为线状照射到靶面，用成像物镜收集靶面的漫反射光并

2、传递到广角迈克尔逊干涉腔中形成干涉，产生的梳妆干涉条纹作为信号载体，用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化，用不同位置的条纹移动量反推出不同位置的速度分布，实现空间分辨。系统具有５０ｐｓ响应时间和２０μｍ空间分辨能力。用该系统测量了激光驱动飞片的速度场，清晰的扫描干涉图像直观显示了飞片的运动过程和各点的速度差异。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理，得到了靶面一条线的速度和位移分布。关键词：激光干涉测速；冲击波诊断；线成像速度干涉仪；激光驱动中图分类号：Ｏ４３６．１文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０

3、．２２８１激光驱动强冲击波是材料高压状态方程实验研究的主要手段之一。激光驱动的飞片或样品的尺寸在几百至几ｍｍ之间，冲击波与飞片或样品的作用时间在几百ｐｓ至几百ｎｓ之间。为了实现强冲击波时空不均匀μｍ性诊断，台阶靶或楔形靶状态方程实验的冲击波速度和粒子速度测量，以及强冲击波ＲａｙｌｅｉｇｈＴａｙｌｏｒ不稳定性的形成与增长过程研究，需要对冲击波进行高时空分辨的诊断。传统的离散多点激光干涉测速技术如［１］［２］［３］ＶＩＳＡＲ，ＦａｂｒｙＰｅｒｏｔ和光纤位移干涉仪由于前置探头尺寸的限制，空间分辨能力只能达到１３０μｍ，已无法满

4、足诊断需求，因此必须采用新的技术方法。目前，比较成功的速度场时空分辨测量技术是美国Ｓａｎｄｉａ［４５］国家实验室的Ｔｒｏｏｔ和ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｍｏｒｅ国家实验室的Ｃｅｌｌｉｅｒｓ的线成像ＯＲＶＩＳ，以及华盛顿州立大学［６］Ｒｏｂｉｎｓｏｎ的光学延迟线成像ＶＩＳＡＲ。这些技术用光学成像方式实现了μｍ量级的空间分辨，同时，用变像管扫描相机取代光电倍增管等探测器来作为记录设备，实现ｐｓ量级的时间分辨。本文借鉴国外相关技术，设计并建立了一套线成像激光干涉测速系统，将它用于激光驱动冲击波的高时空分辨诊断。１系统原理及结构［１

5、］［７］线成像激光干涉测速技术基于任意反射面速度干涉仪（ＶＩＳＡＲ）和光学记录速度干涉仪（ＯＲＶＩＳ）。离散多点ＶＩＳＡＲ用透镜收集靶面的漫反射光并耦合到光纤中，光纤传递信号光到干涉腔中干涉，干涉信号由光电倍增管来记录。而在线成像激光干涉测速技术中，激光被压缩成一条细线照射到待测物体表面，待测物体的运动会导致漫反射光产生多普勒频移，成像物镜用来收集漫反射光，并且使靶面和相机狭缝面成一一对应的物像共轭关系，漫反射光由成像物镜收集后，传递至广角迈克尔逊干涉腔，并在狭缝面上干涉形成梳妆条纹。用变像管扫描相机记录干涉条纹各点光强随时

6、间的变化，进而得到扫描图像。照明线上各点多普勒频移不一致，导致各点条纹的移动量也不一致，通过对干涉条纹图像进行数据处理，可以得到各点的多普勒频移（相位）［８］随时间变化的过程，进而可得到各点速度随时间变化的过程为狏（狋，狔）＝犉（狋，狔）（１）２π式中：是某点的相位；犉是干涉腔的条纹常数；狋是时间；狔是空间位置。成像方式和变像管扫描相机的应用，使得线成像激光干涉测速技术相对于离散多点测量技术具备μｍ空间分辨和ｐｓ时间分辨的能力。同时，扫描图像能直观显示时空分辨的速度差异，避免对每个测量点分别处理再合成时空分辨结果的过程。

7、干涉扫描图像中的条纹在靶面未运动时是水平的，当物体开始运动，条纹将向上或向下移动，加速和减速时条纹移动方向相反，条纹每移动一个条纹间隔，对应于一个条纹常数的速度变化。每次实验在获得扫描图像时就能得到定性的分析结果，为实验装置改进提供便利。收稿日期：２００９１０２３；修订日期：２０１００３２３作者简介：刘寿先（１９７９—），男，硕士，助理研究员，从事激光干涉测试技术及图像、信号处理研究；ｐｉｏｎ５５＠１６３．ｃｏｍ。２２８２强激光与粒子束第２２卷［８］线成像激光干涉测速装置如图１所示。系统主要技术指标为：成像物镜放大

8、倍数为５倍，空间分辨力为２０μｍ，景深为０．３０ｍｍ，速度分辨力为３５ｍ／ｓ，扫描相机时间分辨力为５０ｐｓ。部分技术指标可通过更换成像物镜和标准具来进行调整，以适应不同测试对象的需求。如增大成像物镜放大倍率，可以提高空间分辨能力，减小系统条纹常数，可以提高速度分辨能力。２实验结果线成像激光