一种啁啾脉冲速度干涉仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光测试装置领域，具体涉及一种啁啾脉冲速度干涉仪。
【背景技术】
[0002] 激光速度干涉仪是利用光电倍增管-示波器记录两个时刻激光束的差拍频率变 化过程，以实现高速运动物体表面（使激光束产生多普勒频移的运动面）速度测量的光 学测试系统。速度干涉仪的出现曾经很好地解决了位移干涉仪存在的频响问题。但是， 在测量自由面速度时，速度干涉仪要求样品表面研磨抛光成镜面，且不能鉴别加速减速过 程。1972年，Barker和Hollenbach建立了任意反射面的速度干涉仪（VISAR)系统，它被 用来代替速度干涉仪测量高速运动物体表面速度。VISAR既可测量镜反射表面的样品， 也可测量漫反射表面的样品，同时可以鉴别加速减速过程（Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface,J. Appl. Phys. ,L. M. Barker and R. E. Hollenbach) 〇
[0003] 最初，由于受到光电倍增管-示波器记录系统的制约，VISAR的时间分辨只能 做到纳秒量级，满足不了人们在许多现象上的观测要求。为了改善这种状况，1983年， Bloomquist和Sheffield对VISAR的光路进行改动，并以电子条纹相机代替光电倍增 管-示波器记录系统，改造后的系统被称为光学记录速度干涉仪（ORVIS)，其时间分辨 能力主要受限于条纹相机。因此，达到了皮秒时间分辨的水平（Optically recording interferometer for velocity measurements with subnanosecond resolution,J. Appl. Phys.，D. D. Bloomquist and S. A. Sheffield)。1998年，Celliers等人又利用条纹相机的空 间分辨能力，通过在VISAR中引入成像系统，构造了成像型VISAR，并在测量激光驱动冲击 波的实验中，同时实现了皮秒时间分辨和亚微米的一维空间分辨（Accurate measurement of laser-driven shock trajectories with velocity interferometry, Appl. Phys. Lett.，P.M.Celliers，G.W. Collins，L.B. Da Silva，D.M. Gold，and R.Cauble)。此后，这些 技术被广泛应用在与冲击波传播相关的物理实验当中，如高压状态方程实验、材料动力学 性能实验以及惯性约束聚变中的冲击波时序调控实验等。
[0004] 在VISAR系统中，条纹相机作为重要的组成部分是必不可少的，它影响着系统的 时间分辨能力。然而，条纹相机的昂贵价格使VISAR的建造成本居高不下，大大地限制了该 系统的应用范围。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种啁啾脉冲速度干涉仪，可应用于高速运动物体表面速度的测量， 物体表面可以是任意反射面；使用光谱仪记录系统，在达到高时间分辨的同时，有效地控制 了系统建造成本。
[0006] 为达到上述目的，本发明实施列提供了如下技术方案：
[0007] -种啁啾脉冲速度干涉仪，宽带脉冲激光光源输出的激光脉冲通过起偏器和脉冲 展宽器成为线偏振的线性啁啾脉冲，然后分为偏振方向相互垂直的两束，一束为S偏振光， 另一束为P偏振光，S偏振光经历一个时间延迟器，落后于P偏振光传输。两束光以共轴传 输的方式被凸透镜聚焦在待测样品表面，收集并准直携带有样品表面运动信息的反射光， 补偿两束光之间的时间延迟，使之同步传输。将同步后的S、P偏振光投影到相同的偏振方 向上，并以一定的夹角进行拍频干涉叠加，干涉条纹被成像型光谱仪接收。对获得的干涉条 纹进行解谱，得到样品表面的速度演化过程。
[0008] 上述技术方案中，所述宽带脉冲激光光源为超连续脉冲激光器或飞秒激光器，其 中超连续脉冲激光器输出的脉冲光谱范围为400nm~2000nm，中心波长可调，通过使用不 同的宽带滤波器进行滤波，可以得到不同中心波长和带宽的激光脉冲。
[0009] 可选地，所述脉冲展宽器为光栅展宽器、色散玻璃等光学色散元件，改变展宽器的 参数，即可以实现对啁啾脉冲宽度的调节。
[0010] 所述线性啁啾脉冲分为S偏振光和P偏振光是为了便利两束光之间延迟时间差的 补偿。
[0011] 可选地，所述时间延迟器为石英玻璃等低色散材料，在S偏振光路中加入一定厚 度的低色散材料，使其经历的光程增加，与P偏振光之间产生一定的延迟时间差，改变材料 的厚度，即可以实现对延迟时间的调节。
[0012] 所述待测样品表面处于凸透镜的焦平面上，凸透镜将入射光束聚焦在待测样品表 面，然后收集样品表面的散射光，并实现光束的准直。
[0013] 所述时间延迟的补偿为P偏振光路中加入光程补偿元件，其参数与所述时间延迟 器的参数相同，包括材料种类、品质和厚度等；光程补偿元件既补偿了 S偏振光和P偏振光 之间的延迟时间差，又保持了两光束的模拟零程差条件，使该速度干涉仪可以测量任意反 射面的速度。
[0014] 所述S、P偏振光投影到相同的偏振方向上通过在两束光共同的传输路径上放置 检偏器实现，检偏器和所述起偏器的透振方向成45°夹角，从而使S、P偏振光在相同偏振 方向上的投影强度相当。
[0015] 所述成像型光谱仪记录的干涉条纹为二维图像，其中光谱轴沿条纹方向垂直于狭 缝。
[0016] 可选地，所述干涉条纹的解谱方法为傅立叶变换方法和小波变换方法。
[0017] 本发明的技术方案中，样品表面的运动使入射到其上的激光束产生多普勒频移， 频移量的大小与样品表面的速度有关。由于S偏振光和P偏振光均为线性啁啾脉冲（脉冲 频率随着时间线性地变化），在单个激光束中，不同脉冲频率上产生的多普勒频移反映了不 同时刻的物体速度；s、P偏振光之间延迟时间差的存在，使两束激光脉冲中的相同频率成 分经历了不同时刻的多普勒频移，即S、P偏振光中的相同频率成分产生的多普勒频移量不 同。取s、P偏振光在相同极化方向上的投影，使它们之间发生干涉。成像型光谱仪记录到 二维的干涉图形，它沿光谱仪狭缝方向表示两束激光脉冲（相同频率成分）之间的拍频干 涉，沿光谱轴方向表示不同的频率成分，（根据线性啁啾脉冲的性质）相当于不同的时刻。 对二维干涉图形进行解谱，从而得到不同时刻的样品表面速度。
[0018] 与现有的速度干涉仪（如VISAR)相比，上述技术方案具有以下优点：
[0019] 1、本发明方法使用光谱仪记录系统，相对于VISAR使用的昂贵的条纹相机记录系 统，价格优势明显，从而有效控制了速度干涉仪的建造成本。
[0020] 2、本发明方法通过改变入射激光脉冲的带宽或啁啾脉冲的脉宽，可以调节系统的 时间分辨，最高可以达到飞秒量级；而VISAR的时间分辨受限于条纹相机的皮秒分辨能力。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例1中的啁啾脉冲速度干涉仪工作原理图；
[0022] 其中：1、超连续脉冲激光器；2、起偏器；3、宽带滤波器；4、脉冲展宽器；5、反射镜； 6、偏振分光棱镜；7、时间延迟器；8、反射镜；9、反射镜；10、偏振分光棱镜；11、反射镜；12、 凸透镜；13、待测样品；14、偏振分光棱镜；15、光程补偿兀件；16、反射镜；17、反射镜；18、 偏振分光棱镜；19、检偏器；20、成像型光谱仪。
[0023] 图2为本发明实施例1中模拟的样品表面速度变化曲线；
[0024] 图3为本发明实施例1中模拟啁啾脉冲各个波长的多普勒频移；