用脉冲激光同轴全息技术测量微射流.pdf

《用脉冲激光同轴全息技术测量微射流.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第16卷第2期强激光与粒子束Vol.16，No.22004年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb.，2004文章编号：1001-4322（2004）02-0159-04*用脉冲激光同轴全息技术测量微射流叶雁，郑贤旭，李作友，李泽仁，钟杰，刘振清，罗振雄（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900）摘要：用脉冲激光同轴全息技术建立了全息照相系统和高精度同步时序系统，获得了采用爆轰加载产生高速运动的微射流全息图，并再现出微射流的全息像，得到粒子的大小和分布情况，从图像处理得到粒子尺寸的统计结

2、果表明，最大尺寸在300µm左右，最小尺寸在30µm左右。证明了研制的全息系统和测试技术可以测量高速的微射流场。关键词：同轴全息；微射流；干涉；粒子场中图分类号：TN26文献标识码：A强冲击载荷下自由表面的粒子喷射现象还没有被认识得很清楚，也很难从理论上给以准确的计算模型，因［1］而从实验上来测定材料在冲击载荷下自由面喷射物质的分布和粒子尺寸大小就显得非常重要。脉冲激光同轴全息技术是测量高速运动粒子的重要测试方法，具有在ns或更在短时间内“固化”运动微粒场、测量精度高、景深长、光路简单和获得的信息量大等优点。这些优势使得脉冲激光同轴

3、全息技术成为研究微喷射场的重要测试手段之一。从国内外研究的现状来看，大部分测量的对象都是低速粒子场，低于几十m/s，对实验系统的分辨率和可控性要求不高，而本文所测的微射流采用爆轰加载，速度在几km/s左右，对激光器的脉宽和能量及实验的同步性要求较高。这是我们实验研究中要考虑的重要问题。1测试原理脉冲激光同轴全息技术是利用激光照射粒子场，粒子散射与未发生散射的光干涉，用全息干板记录干涉条纹，干涉条纹中包含了粒子场信息，通过干板处理，得到全息图。图1为脉冲激光同轴全息记录原理示意图。设有一振幅为B，波长为λ1的平面波，沿着z轴入射并照射

4、粒子，被粒子衍射的光波以及未被扰Fig.1Principleconfigurationofpulsedin-lineholography动而直射的平面波，在全息干板平面（x，y）上产生图1脉冲激光同轴全息照相原理图［2］干涉而被记录下来。于是在全息干板平面上，被记录的光波的复振幅分布为B∞ik122U（x，y）=exp（ik1d0）∫∫［1-（tξ，η）］exp｛［（x-ξ）+（y-η）］｝dξdη（1）iλ1d0-∞2d0式中：［1-（tξ，η）］是粒子的振幅透射函数；k1为记录光波的波数；d0为物场到全息干板的距离。全息干板经过

5、线性处理后，其振幅透射函数正*比于（Ix，y）=U（x，y）U（x，y）。这里为分析简单起见，设等于（Ix，y）。对全息图进行再现，图2为再现原理示意图。用平面波C沿z轴入射到全息图，根据菲涅尔Fig.1Reconstructionprincipleofpulsedin-lineholography衍射公式，在距离全息图d0处的再现实像平面（µ，图1脉冲激光同轴全息再现原理图v）处，再现光的复振幅为*收稿日期：2003-05-12；修订日期：2003-10-21基金项目：中国工程物理研究院基金资助课题作者简介：叶雁（1978—），女

6、，硕士研究生，从事全息干涉测量技术及应用研究；绵阳市919-109信箱。160强激光与粒子束第16卷C∞ik222U（µ，v）=exp（ik2d0）∫∫（Ix，y）exp｛［（µ-x）+（v-y）］｝dxdy（2）iλ2d0-∞2d0式中：k2和λ2分别为再现光波的波数和波长。使用聚焦条件和远场条件后，最后得到在实像平面上，全息再现像的光强分布为*I（ix，y）=U（x，y）U（x，y）=22221πRuvπRuvCB｛1-［sin（）ReT（，）+co（s）ImT（，）］+λ1d02λ1d02λ1d02λ1d02λ1d02λ1d0

7、2λ1d01uv*uv24*T（，）T（，）｝+CBt（u，v）（tu，v）+其它小项（3）224λ1d02λ1d02λ1d02λ1d02λ1d0*由公式（3）可以看出，第五项中的t（µ，v）（tµ，v）是粒子的实像。2激光脉宽和同步精度要求由于粒子是在高速运动，因而无论用多短的激光脉冲照射粒子，粒子都会在曝光期间产生位移而使得生成的全息图有一定模糊，最终使再现的粒子场出现相应的模糊，从而给粒子场的判读带来误差。一般在曝光时间［3］内，粒子移动的距离不超过其直径的1/10，就可以忽略粒子的动态模糊。te≤2a/10v（4）式中：a为

8、粒子半径，v为粒子运动的速度。如果a=100µm，粒子速度在3～5km/s，曝光时间te要求就在几个ns。已知脉宽和全息干板特性曲线，可以计算出所需激光器输出能量。由于粒子运动速度快，记录的干板大小有限，假设为D，粒子运动出干板尺寸范