专利名称：用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学测量设备，具体涉及一种用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统。
背景技术：
状态方程描述的就是某个热力学系统中各个状态参量(p，V，T，E，S)之间的函数关系。状态方程的实验研究在地球物理、天体物理、惯性约束聚变、材料科学、核武器物理等领域受到广泛重视，对实际应用和状态方程理论发展有重要的意义。目前状态方程的绝对测量要求通过实验独立地测定冲击波关系式中的冲击波速度D和波后粒子速度u，然后推算得到材料其余的冲击波参数，给出冲击绝热线，即冲击绝热状态方程。在状态方程实验研究中，一般通过探测冲击波在靶背卸载时的发光信号进行冲击波诊断。然而作为被动测量方法，冲击加热发光不仅容易受到干扰，并且其信号强度极度依赖冲击压强，无法在相对较低的压强条件下应用。任意表面速度干涉仪(VISAR)是一种主动光学测量方法，与被动测量冲击波靶背卸载发光相比，不受驱动冲击波压力强弱的影响，其应用范围可从数十GI^a至TPa。成像型速度干涉仪(Imaging-VISAR)是具有空间分辨能力的速度干涉仪，靶背表面的各点速度信息通过干涉仪系统，以干涉条纹的形式被扫描相机记录下来，从中可以分析得到自由面速度以及台阶靶内的冲击波传输速度。现有技术中，关于速度干涉仪在状态方程中的应用，在《用光学记录速度干涉仪测量自由面速度》(《强激光与粒子束》，2006，18( :799-802作者路建新，王钊，梁晶)一文中，公开了光学记录速度干涉仪系统，用于测量强激光产生的冲击波状态方程中的自由面速度。但是该系统是点速度干涉仪，不具备空间分辨能力，不能在实验中同时测得冲击波速度和自由面速度，从而无法直接得到材料的冲击压缩曲线。再者由于所采用的氩离子激光器功率有限，致使条纹相机采集的图像，信噪比不高，影响实验数据精度。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，提高探测图像的信噪比以及实验的精度。本实用新型的技术方案如下一种用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，由激光输入子系统、像传递子系统和干涉仪子系统组成，其中，所述的激光输入子系统包括探测激光器，以及在探测激光器出口依次设置的机械快门和普克尔盒，在普克尔盒的后侧设置一组用于将高斯光束整形为矩形光束的整形柱面透镜，在整形柱面透镜与靶之间依次设置分束镜和用于调整矩形光斑大小的第一透镜组；所述的像传递子系统包括三级像传递透镜组，第一级像传递透镜组采用所述第一透镜组的反向设置，收集靶背表面的散射光，然后依次经过第二、第三级像传递透镜组，成像至条纹相机；所述的干涉仪子系统设在第二级像传递透镜组与第三级像传递透镜组之间。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的干
3涉仪子系统包括两个分束镜和两个反射镜，第一个分束镜将经过第二级像传递透镜组的散射光分为两束，一束光经第一个反射镜反射至第二个分束镜，另一束光穿过石英标准具后经第二个反射镜反射至第二个分束镜，两束光在第二个分束镜叠加形成干涉条纹，然后由第三级像传递透镜组成像至条纹相机。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的干涉仪子系统中的两分束镜的分光膜面向相反的方向。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的第一透镜组包括沿光束传递方向依次设置的平凸透镜、双胶合透镜、月牙透镜；当第一透镜组作为第一级像传递透镜组时，靶背面的散射光依次经过月牙透镜、双胶合透镜、平凸透镜。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的第二级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的双胶合透镜和平凸透镜。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的第三级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的两个双胶合透镜。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的探测激光器采用半导体泵浦的固体激光器。进一步，如上所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其中，所述的条纹相机狭缝前设有滤光片。本实用新型的有益效果如下本实用新型提供的用于状态方程实验研究的成像型激光速度干涉仪系统，通过透镜组将靶背表面产生的散射光成像传输至条纹相机，使速度干涉仪具有空间分辨能力；在普克尔盒后放置的一组平凸平凹柱面透镜将圆形高斯光束整形为一定大小的矩形光束，经过透镜成像在靶背投射出线型光斑，在保留一维空间分辨能力的同时有效地提高了散射光强，并经过滤光片，大大提升了干涉条纹的信噪比，最终由条纹相机采集到清晰的同时包含时间和空间信息的干涉条纹图像。本实用新型拥有很好的空间分辨能力，并且能够在探测激光能量较低的条件下提高图像的信噪比，从而提高实验精度。
图1为本实用新型的速度干涉仪系统原理结构示意图；图2为单台阶金属靶的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。如图1所示，本实用新型提供的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统激光输入子系统、像传递子系统和干涉仪子系统3个部分组成，各种装置包括探测激光器、机械快门、普克尔盒、反射镜、分束镜、透镜、条纹相机等。激光输入子系统的主要功能是把探测激光按实验需要的形状尺寸投射到靶背表面，包括探测激光器1，以及在探测激光器出口依次设置的机械快门和普克尔盒，用于产生激光脉冲。在普克尔盒的后侧设置一组用于将探测激光源输出的高斯光束整形为矩形光束的整形柱面透镜，包括平凹柱面透镜2和平凸柱面透镜3，在整形柱面透镜与靶8之间依次设置分束镜4和用于调整矩形光斑大小的第一透镜组，第一透镜组包括沿光束传递方向依次设置的平凸透镜5、双胶合透镜6、月牙透镜7。整形柱面透镜与分束镜4之间可以根据需要设置反射镜，本实施例中设置两面反射镜用于转折激光的光路。实验用靶可以根据不同的实验内容进行选择，目前的实验中主要采用的是单台阶金属靶，其结构包括烧蚀层19和AI膜20，如图2所示。实验中使用的探测激光器为半导体泵浦的固体激光器，输出波长为532nm的单纵模激光，带宽小于5MHz。探测激光源输出的是高斯光束，光斑直径为2. 3mm，经过输入光路，在靶背投射一个长约Imm宽约100 μ m的矩形光斑。像传递子系统使得干涉仪系统具有空间分辨，其成像质量直接影响测量精度。本实施例中，像传递系统由7块透镜组成，分为三组，通过三级像传递，将靶背面散射光成放大像至条纹相机。其中，第一级像传递透镜组采用上述第一透镜组的反向设置，收集靶背表面的散射光，靶背面的散射光依次经过月牙透镜7、双胶合透镜6、平凸透镜5传递至第二级像传递透镜组。第二级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的双胶合透镜9和平凸透镜10。干涉仪子系统设在第二级像传递透镜组与第三级像传递透镜组之间。第三级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的两个双胶合透镜16、17。另外，在整个散射光传递的过程中，可以在光路上适当的设置反射镜来转折光的方向，本实施例中，在第一级像传递透镜组的平凸透镜5与第二级像传递透镜组的双胶合透镜9之间设有反射镜，在第二级像传递透镜组的双胶合透镜9与平凸透镜10之间设有反射镜，以及在第三级像传递透镜组的两个双胶合透镜16、17之间设有反射镜。本实施例中，对于第一级像传递透镜组，焦距为150mm的月牙透镜7和焦距为300mm的双胶合透镜6相隔50_放置，组合焦距113_，实际通光直径33_，F = 3. 4。焦距1200mm的平凸透镜5与月牙透镜7、双胶合透镜6共同作用把靶背表面Imm视野范围放大成约10倍的像；焦距为600mm的双胶合透镜9和焦距为1200mm的平凸透镜101组成第二级像传递透镜组，放大倍数为2，成像至干涉仪输出分束镜15的分光膜面；最后，由焦距为600mm的双胶合透镜16和焦距为800mm的双胶合透镜17组成第三级像传递透镜组，成像至数据采集系统，即条纹相机18，在条纹相机18的狭缝前放置一滤光片。滤光片的主要作用是过滤杂散光，提高设备的精度。本实施例中采用的滤光片具有窄带宽高透过性的特点，中心波长是532nm(和探测激光的波长匹配)。干涉仪子系统基本结构采用Mach-Zehnder干涉仪，包括两个分束镜11、15和两个反射镜12、13。第一个分束镜11将经过第二级像传递透镜组的散射光1:1分束为两路，一束光经第一个反射镜12反射至第二个分束镜15，另一束光穿过石英标准具14后经第二个反射镜13反射至第二个分束镜15，两束光在第二个分束镜15叠加，在分束镜的分光面形成干涉条纹，然后由第三级像传递透镜组成像至条纹相机。两个分束镜11、15的分光膜要面向相反的方向，这样干涉的两束光都各穿越分束镜一次，消除由分束镜带来的光程差。条纹常数即条纹位移等于1时对应的速度，由石英标准具14的厚度确定。一般来说，目前实验中的所采用的石英标准具有三个厚度20mm、30mm、40mm，根据测速公式可以计算出不同厚度标准具在特定波长条件下的条纹常数。在状态方程实验中，需要根据待测冲击波速度，选定合适厚度的标准具。由于干涉仪系统对镜片的面型要求较高，同时考虑加工水平及成本因素，系统所使用的镜片均为λ/10的商品镜片。为精确调节干涉仪满足准零程差条件，并且便于对靶位进行监测，所有镜片镀膜均为宽带介质膜。系统中用到的三块分束镜，都有2°楔角，虽然增加了调节难度，但减少了镜片前后表面之间反射光的影响。 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，由激光输入子系统、像传递子系统和干涉仪子系统组成，其特征在于所述的激光输入子系统包括探测激光器(1)，以及在探测激光器出口依次设置的机械快门和普克尔盒，在普克尔盒的后侧设置一组用于将高斯光束整形为矩形光束的整形柱面透镜0、3)，在整形柱面透镜(2、；3)与靶(8)之间依次设置分束镜(4)和用于调整矩形光斑大小的第一透镜组；所述的像传递子系统包括三级像传递透镜组，第一级像传递透镜组采用所述第一透镜组的反向设置，收集靶背表面的散射光，然后依次经过第二、第三级像传递透镜组，成像至条纹相机(18)；所述的干涉仪子系统设在第二级像传递透镜组与第三级像传递透镜组之间。
2.如权利要求1所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的干涉仪子系统包括两个分束镜和两个反射镜，第一个分束镜(11)将经过第二级像传递透镜组的散射光分为两束，一束光经第一个反射镜(1 反射至第二个分束镜(15)，另一束光穿过石英标准具(14)后经第二个反射镜(1 反射至第二个分束镜(15)，两束光在第二个分束镜叠加形成干涉条纹，然后由第三级像传递透镜组成像至条纹相机(18)。
3.如权利要求2所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的干涉仪子系统中的两分束镜(11、15)的分光膜面向相反的方向。
4.如权利要求1所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的第一透镜组包括沿光束传递方向依次设置的平凸透镜(5)、双胶合透镜(6)、月牙透镜(7)；当第一透镜组作为第一级像传递透镜组时，靶背面的散射光依次经过月牙透镜(7)、双胶合透镜(6)、平凸透镜(5)。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的第二级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的双胶合透镜(9)和平凸透镜(10)。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的第三级像传递透镜组包括沿光束传递方向依次设置的两个双胶合透镜(16,17)。
7 如权利要求1所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的探测激光器(1)采用半导体泵浦的固体激光器。
8.如权利要求1所述的用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，其特征在于所述的条纹相机(1 的狭缝前设有滤光片。
专利摘要本实用新型涉及一种用于冲击诊断的成像型激光速度干涉仪系统，由激光输入子系统、像传递子系统和干涉仪子系统组成，所述的激光输入子系统包括探测激光器、机械快门和普克尔盒，在普克尔盒的后侧设置一组用于将高斯光束整形为矩形光束的整形柱面透镜，在整形柱面透镜与靶之间依次设置分束镜和用于调整矩形光斑大小的第一透镜组；所述的像传递子系统包括三级像传递透镜组，第一级像传递透镜组收集靶背表面的散射光，然后依次经过第二、第三级像传递透镜组，成像至条纹相机；干涉仪子系统设在第二级像传递透镜组与第三级像传递透镜组之间。本实用新型拥有很好的空间分辨能力，能够在探测激光能量较低的条件下提高图像的信噪比，从而提高实验精度。
文档编号G01P3/36GK202330448SQ20112047615
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者何以广, 梁晶, 汤秀章, 王钊, 田宝贤 申请人:中国原子能科学研究院