一种扫描频域干涉仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种扫描频域干涉仪，所述的干涉仪含有宽带脉冲、脉冲展宽器、部分反射镜、分束片、被测样品、平面反射镜、光谱仪和条纹相机。所述脉冲展宽器将宽带脉冲展宽为线性啁啾脉冲，所述线性啁啾脉冲通过光学振荡腔产生一个等时间间隔的脉冲序列，所述光学振荡腔由两块部分反射镜构成；所述分束片、平面反射镜和被测样品表面构成不等臂迈克尔逊干涉仪；所述光谱仪和条纹相机分别用来色散啁啾脉冲和记录频谱干涉条纹。本实用新型扫描频域干涉仪可以在单发实验内测量大时间尺度的物理量变化历史，测量具有高时间分辨的特点。本实用新型的扫描频域干涉仪的特点表明其将可以用作持续时间长、特征位置变化快的物理量测试系统。
【专利说明】 一种扫描频域干涉仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超快光学测试技术，具体涉及一种扫描频域干涉仪。
【背景技术】
[0002]研宄强冲击波作用下的材料动力学性能，是材料物理领域的热点问题之一。通过测量被冲击材料中的冲击波速度和粒子速度，有助于推导材料的应力-应变状态和检验物质性态的理论模型(激光干涉测速技术，国防工业出版社，胡绍楼)。其中，粒子速度的测量通常采用自由面速度法，常用的诊断设备有任意反射面的速度干涉仪(VISAR)、超快显微干涉仪、频域干涉仪(FDI)和啁啾脉冲频域干涉仪(CPSI)等测试系统。
[0003]VISAR—般应用在长脉冲激光驱动冲击波的测量实验中，其诊断物理量的时间尺度在ns量级，但时间分辨能力通常在数十ps的水平上(Line-1maging velocimeterfor shock diagnostics at the OMEGA laser facility, Rev.Sc1.1nstrum.，P.M.Celliersj D.K.Bradley, G.W.Collins, D.G.Hicks, T.R.Boehly and W.J.Armstrong),如果物理量在某些特定位置的变化较快，测试结果将不能反映变化的细节。相对而言，超快显微干涉仪和FDI属于超快测量技术，能反映fs时间尺度的物理量变化，是测量飞秒激光驱动冲击波的常见方法，不过，两者都属于离散式点测试技术，在测量一定时间范围内的物理量变化时，需要进行大量的实验发次，因此对实验条件的重复性要求车文高(Single-shot measurement of temporal phase shifts by frequency-domainholography, Opt.Lett., S.P.Le Blanc, E.ff.Gaul, N.H.Mat I is, A.Rundquist,and M.C.Downer)。
[0004]CPSI是指首先将一束宽带脉冲展宽为线性啁啾脉冲，然后通过不等臂迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪产生具有一定延迟时间差的两束脉冲，最后它们(至少一束传播加载上被测信号)以共轴传输的方式进入光谱仪，在记录系统中形成频谱干涉条纹，通过对条纹解谱可得随时间变化的被测信号。CPSI是在FDI基础上发展出的一种单发实验测量技术，它利用线性啁啾脉冲的啁啾特性，实现了高时间分辨和连续测试的有机结合(Single-shot chirped-pulse spectral interferometry used to measure thefemtosecond 1nizat1n dynamics of air，Opt.Lett., C.Y.Chien, B.La Fontaine,A.Desparois, Z.Jiang, T.ff.Johnston, J.C.Kieffer, H.epin, and F.Vidal),从而可以对快速变化的物理量(如激光驱动冲击波上升沿)实施有效测量。遗憾的是，CPSI的单发测量时间尺度和时间分辨能力之间是一种相互制约的关系，当单发测量的时间尺度增加时，相应的时间分辨能力将出现下降，这对于持续时间长、特征位置变化快的物理量测试，仍需多发实验才能完成。
【发明内容】
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种扫描频域干涉仪，应用于持续时间长、特征位置变化快的物理量测试。本实用新型的扫描频域干涉仪，同时具有大量程和高时间分辨的测试特点，对物理量变化历史的测量均在单发实验内完成，避免了实验条件变化对测试结果产生的影响。
[0006]为达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案:
[0007]本实用新型的扫描频域干涉仪，包括:
[0008]宽带脉冲、脉冲展宽器、部分反射镜、分束片、被测样品、平面反射镜、光谱仪和条纹相机。
[0009]光束的传输过程是，一束宽带脉冲首先通过脉冲展宽器，然后依次垂直入射到两块部分反射镜上，其中，部分反射镜I的反射光沿原路返回，透射光则垂直入射到部分反射镜II上，部分反射镜II的反射光在两块部分反射镜构成的振荡腔内振荡传输，透射光则在传播通过分束片时分为透射脉冲和反射脉冲，透射和反射脉冲分别垂直入射到平面反射镜上和被测样品表面，被垂直反射后，两束脉冲第二次通过分束片时实现同轴合束，然后依次进入光谱仪和条纹相机。
[0010]上述技术方案中，所述宽带脉冲为飞秒激光脉冲或超连续脉冲，脉冲带宽不小于10 nm0
[0011]可选地，所述脉冲展宽器为光栅展宽器、色散玻璃或其它光学色散元件中的一种。
[0012]所述脉冲展宽器将宽带脉冲展宽为线性啁啾脉冲，线性啁啾脉冲为脉冲频率随时间线性变化的脉冲；改变脉冲展宽器的参数，可以实现对所述线性啁啾脉冲脉宽的调节。
[0013]所述部分反射镜1、部分反射镜II的反射率和透射率分别为90%，10%O
[0014]所述部分反射镜I和部分反射镜II构成一个光学振荡腔；从光学振荡腔的一端垂直输入一个脉冲，另一端则共轴输出一个脉冲序列；脉冲序列中相邻脉冲的光程差等于光学振荡腔腔长的两倍，即脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔等于光在振荡腔内往返一次所用的时间，因此，改变部分反射镜I和部分反射镜II之间的相对距离，可以实现脉冲序列中相邻脉冲间隔的调节。
[0015]所述分束片的分光比为1:1，分束片、平面反射镜与被测样品表面一起构成不等臂迈克尔逊干涉仪；当一个脉冲序列输入不等臂迈克尔逊干涉仪，输出为具有固定延迟时间差且共轴传输的两个脉冲序列，它们的能量之和是输入脉冲序列能量的一半，另一半能量返回输入脉冲序列的入射方向，没有被利用，其中，经历被测样品表面的脉冲序列为探测光，经历平面反射镜的脉冲序列为参考光。
[0016]所述光谱仪和条纹相机的作用分别是色散进入其中的光学脉冲和记录产生的频谱干涉条纹；频谱干涉条纹由参考光和探测光之间的频域干涉产生，干涉条纹方向平行于光谱仪的光谱轴和条纹相机的空间坐标轴，此外，干涉条纹沿条纹相机的时间轴方向以一定的间隔周期性出现，间隔代表的时间长度等于脉冲序列中的相邻脉冲间隔；使用数据处理程序对频谱干涉条纹进行解谱，可得被测样品表面的运动速度；系统测量的最小时间分辨为，式中，为宽带脉冲的傅里叶变换极限脉宽，为线性啁啾脉冲的脉宽，系统的测试量程等于条纹相机的记录时间范围。
[0017]本实用新型的目的是这样实现的，一束宽带脉冲通过脉冲展宽器展宽为线性啁啾脉冲；由部分反射镜I和部分反射镜II构成一个光学振荡腔，线性啁啾脉冲从一端(部分反射镜I 一侧)进入其中，光学振荡腔的另一端(部分反射镜II一侧)输出一个等间隔的啁啾脉冲序列；分束片、平面反射镜和被测样品表面构成不等臂迈克尔逊干涉仪，啁啾脉冲序列由分束片导入不等臂迈克尔逊干涉仪，输出为具有固定延迟时间差且共轴传输的两个啁啾脉冲序列，分别为参考光和探测光，其中，当样品表面因样品被冲击而运动时，依据多普勒原理，被其反射的探测光束将带有运动信息；当两个啁啾脉冲序列继续传播进入光谱仪后，被其色散，然后由条纹相机记录下两脉冲序列之间形成的频谱干涉条纹，频谱干涉条纹沿条纹相机的时间轴方向以一定的间隔周期性出现；通过对频谱干涉条纹进行解谱，可得样品表面在大时间尺度范围内的高时间分辨速度变化历史。
[0018]与现有的任意反射面的速度干涉仪(VISAR)或啁啾脉冲频域干涉仪(CPSI)相比，上述技术方案具有以下优点:
[0019]1、本实用新型的扫描频域干涉仪，相对于VISAR，可以对特征位置变化快的物理量进行有效测量。
[0020]2、本实用新型的扫描频域干涉仪，相对于CPSI，可以通过单发实验测量更宽时间范围内的物理量变化历史。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型实施例1中的扫描频域干涉仪工作原理图；
[0022]图2为本实用新型实施例2中皮秒激光驱动冲击波自由面速度测量的扫描频域干涉仪工作原理图。
[0023]其中:1.宽带脉冲 2.脉冲展宽器 3.部分反射镜I 4.部分反射镜II 5.被测样品 6.分束片I 7.平面反射镜I 8.光谱仪 9.条纹相机 10.飞秒激光器 11.分束片II 12.光栅展宽器 13.平面反射镜II 14.平面反射镜III 15.平面反射镜IV 16.平面反射镜V 17.平面反射镜VI 18.透镜 19.平面反射镜VII。
【具体实施方式】
[0024]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做详细的说明。
[0025]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0026]实施例1
[0027]图1所示，本实用新型的一种扫描频域干涉仪，外围设备超连续脉冲激光器输出宽光谱范围400?2000 nm的超连续脉冲，通过外围光学元件带通滤光片后，超连续脉冲被滤成中心波长800 nm、带宽40 nm的宽带脉冲I ;利用脉冲展宽器2将宽带脉冲展宽为线性啁啾脉冲，啁啾脉冲的脉宽为200 pso线性啁啾脉冲垂直入射到部分反射镜I 3上，其中，90%的入射光沿原路返回，剩余10%则透射过去；当透射光束垂直入射到部分反射镜II 4上时，10%透射出去，成为啁啾脉冲序列中的第一个脉冲，剩余90%被垂直反射后在部分反射镜I 3和部分反射镜II 4构成的光学振荡腔内振荡传输；光学振荡腔的腔长为30 cm，啁啾脉冲在振荡传输过程中，每次经过部分反射镜II 4，便有10%的能量透射出去，依次成为脉冲序列中的后续脉冲，因此啁啾脉冲序列中相邻脉冲之间的传输时间差等于脉冲在振荡腔内往返一次的时间即2 ns。分束片I 6、平面反射镜I 7和被测样品5表面一起构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其中被测样品5表面充当迈克尔逊干涉仪的一块反射镜；光学振荡腔输出的啁啾脉冲序列向前传输过程中，由分束片I 6导入不等臂迈克尔逊干涉仪，相应的输出为具有固定延迟时间差3 ps且共轴传输的两个脉冲序列，其中经历被测样品5表面的脉冲序列为探测光，经历平面反射镜I 7的脉冲序列为参考光；当被测样品5表面具有一定的运动速度时，跟据多普勒原理，探测光束将带有运动信息。最后，两个啁啾脉冲序列传输进入光谱仪8，被色散后，由条纹相机9记录产生的频谱干涉条纹；通过对频谱干涉条纹进行解谱，可得样品表面在周期性时间区间(周期2 ns，时间区间200 ps)内高时间分辨(?2.2 ps)的速度变化历史。事实上，适当地设置线性啁啾脉冲脉宽、光学振荡腔的腔长和条纹相机的采样时间，这些周期性的测量时间区间可以实现部分重叠。
[0028]以上对本实用新型的扫描频域干涉仪的光路排布进行了详细的描述，为了更好的理解本实用新型的测量原理，以下将对本实用新型扫描频域干涉仪的具体测速过程加以详细介绍。
[0029]假设高斯型入射宽带脉冲中心波长800 nm、带宽40 nm (相应傅里叶变换极限脉宽fs);被脉冲展宽器展宽为线性啁啾脉冲后，脉宽ps;令光学振荡腔的腔长为30 cm，线性啁啾脉冲输入振荡腔后，输出是一个时间上的脉冲序列，相邻脉冲间隔为2 ns ;线性啁啾脉冲序列由分束片进入不等臂迈克尔逊干涉仪，被分束片分成两束，其中探测光(反射部分)垂直入射到被测样品表面，如果被测样品表面正在以一定的速度运动，根据多普勒原理，被其反射的探测光相位(相对被测样品表面未运动时)将发生变化；不等臂迈克尔逊干涉仪输出的参考光和探测光具有一定的延迟时间差(假设3 ps)，当它们先后进入光谱仪时，参考光脉冲序列和探测光脉冲序列中的对应脉冲(时间上相差3 ps)之间将发生频域干涉。由于条纹相机(具有时间扫描功能)耦合在光谱仪上作为最终的记录设备，记录的数据图像由多套相互平行的频谱干涉条纹构成，详细地，频谱条纹方向平行于条纹相机的空间轴，在条纹相机的时间轴方向上，相邻两套条纹处于平行状态且间隔2 ns。相对于样品表面未运动时记录的静态条纹，此刻记录的频谱干涉条纹将存在移动，通过数据处理可以求出条纹移动对应的探测光相位变化，进一步利用多普勒相移公式即可求得样品表面速度。由于探测光是一个线性啁啾脉冲序列(脉宽200 ps，相邻脉冲间隔2 ns)，根据单幅数据图像得到的样品表面速度史对应着周期性的时间区间，即得到的是样品表面速度在周期性时间区间内(周期2 ns，区间200 ps)的变化历史，而周期性时间区间内的测量具有高时间分辨(ps)的特点。
[0030]至此完成了此实施例的扫描频域干涉仪。
[0031]实施例2
[0032]本实施例中的宽带脉冲为飞秒激光脉冲。在测量皮秒激光驱动冲击波卸载时的样品自由面速度时，使用飞秒激光器作为扫描频域干涉仪的宽带脉冲光源是较为便利的。飞秒激光器10输出的飞秒激光脉冲被分束片11分为两束。其中反射光束首先通过光栅展宽器12展宽为皮秒脉冲，作为泵浦驱动光束使用；在通过平面反射镜13、平面反射镜14、平面反射镜15和平面反射镜16构成的延迟光路后，泵浦光被平面反射镜17反射，并被凸透镜18聚焦在被测样品5前表面，从而在样品材料中驱动冲击波；当冲击波传播到样品后表面进行卸载时，后表面开始运动。另一束透过分束片11的飞秒激光脉冲，在被平面反射镜19反射后，用作扫描频域干涉仪的入射宽带脉冲，如图2所示。
[0033]以上所述，仅是本实用新型的可选实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。
[0034]虽然本实用新型已以可选实施例披露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。
【权利要求】
1.一种扫描频域干涉仪，其特征在于，所述的干涉仪包括:宽带脉冲、脉冲展宽器、部分反射镜、分束片、被测样品、平面反射镜、光谱仪和条纹相机；所述的干涉仪光束的传输过程是，一束宽带脉冲(I)首先通过脉冲展宽器(2)，然后依次垂直入射到部分反射镜I (3)和部分反射镜II (4)上，其中，部分反射镜I (3)的反射光沿原路返回，透射光则垂直入射到部分反射镜II (4)上，部分反射镜II (4)的反射光在两块部分反射镜构成的光学振荡腔内振荡传输，透射光则在传播通过分束片(6 )时分为两束脉冲即透射脉冲和反射脉冲，透射脉冲和反射脉冲分别垂直入射到平面反射镜(7)上和被测样品(5)表面，被垂直反射后，两束脉冲第二次通过分束片(6)时实现同轴合束，然后依次进入光谱仪(8)和条纹相机(9)。
2.根据权利要求1所述的扫描频域干涉仪，其特征在于，所述的宽带脉冲为飞秒激光脉冲或超连续脉冲，脉冲带宽大于10 nm。
3.根据权利要求1所述的扫描频域干涉仪，其特征在于，所述的脉冲展宽器为光栅展宽器或色散玻璃。
4.根据权利要求1所述的扫描频域干涉仪，其特征在于，所述的部分反射镜I(3)、部分反射镜II (4)的反射率和透射率分别为90%，10%。
【文档编号】G01P3/36GK204188637SQ201420658724
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】谷渝秋, 范伟, 吴玉迟, 朱斌, 董克攻, 税敏, 韩丹 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心