【摘要】：粒子場(chǎng)是生物、航天、化工、醫(yī)學(xué)、國(guó)防、材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)等科研領(lǐng)域的重要研究對(duì)象,其在不同領(lǐng)域具有不同的整體及細(xì)節(jié)特征。在材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究領(lǐng)域,粒子場(chǎng)普遍存在速度高、顆粒小、空間分布范圍廣的特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn),底片式的脈沖激光全息技術(shù)以其高空間分辨、大視場(chǎng)、三維診斷、瞬態(tài)曝光等優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)期應(yīng)用于這一領(lǐng)域的高速粒子場(chǎng)診斷,采用的主要記錄材料為銀鹽全息干板。但是,采用該方案實(shí)現(xiàn)超快過(guò)程的瞬態(tài)多幅全息照相卻是困難的。銀鹽干板進(jìn)行高速過(guò)程多幅照相主要有波長(zhǎng)復(fù)用、角度復(fù)用兩種方案。由于銀鹽干板只能記錄薄全息圖,角度復(fù)用時(shí)空間上難以將多幅圖像分開(kāi),進(jìn)而限制了幀數(shù)以及圖像信噪比。同樣由于銀鹽干板為薄全息材料的原因,波長(zhǎng)復(fù)用時(shí)需要非常大的光譜跨度才可實(shí)現(xiàn),進(jìn)而同樣限制了幀數(shù)以及圖像信噪比。為了解決幀數(shù)限制這一問(wèn)題,本論文從體全息領(lǐng)域?qū)ふ彝黄泣c(diǎn)。體全息被視為下一代只讀存儲(chǔ)的核心技術(shù),相比于表面存儲(chǔ)以及薄全息等二維記錄技術(shù),其最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)深度(體積)的利用。體全息結(jié)合多種復(fù)用技術(shù)可以在同一記錄體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是,若直接將現(xiàn)有技術(shù)用于高速粒子場(chǎng)瞬態(tài)多幅全息記錄,則將遇到體全息材料靈敏度不足、單脈沖曝光響應(yīng)不明顯、多幅方案瞬態(tài)適應(yīng)性差等關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)而限制體全息技術(shù)與高速粒子場(chǎng)瞬態(tài)多幅全息診斷技術(shù)的結(jié)合。本文以克服上述技術(shù)難題,促成高速粒子場(chǎng)全息診斷與體全息技術(shù)的結(jié)合為目的,以解決高速粒子場(chǎng)全息診斷過(guò)程中的幅數(shù)限制為研究目標(biāo),分別從理論模擬、體全息材料靈敏度提升、體全息圖像記錄影響因素分析、瞬態(tài)多幅體全息方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)等方面展開(kāi)研究。在理論模擬方面,本文借鑒了 Kogelnik的經(jīng)典耦合波動(dòng)理論(解決二維單一體光柵衍射問(wèn)題)推導(dǎo)過(guò)程,重新推導(dǎo)并建立了可與角譜理論實(shí)現(xiàn)參量耦合的三維多體光柵耦合波動(dòng)理論,給出數(shù)值求解方法及與角譜理論的參量耦合方法,并通過(guò)算例對(duì)理論的可行性進(jìn)行了證明。在體全息材料靈敏度提升方面,本文提出了一種新的基于雙PD的時(shí)分復(fù)用體全息材料靈敏度實(shí)時(shí)測(cè)試方法,應(yīng)用該方法對(duì)49種體全息材料配方的樣片進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)迭代優(yōu)化,最終得到三種在單脈沖曝光下可實(shí)現(xiàn)高效且高質(zhì)量響應(yīng)的體全息配方。該方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,且對(duì)安裝誤差、區(qū)域間誤差、材料收縮具有更好的適應(yīng)性,還可回避雙波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量方法對(duì)探測(cè)光譜的要求,更加適于材料的研制開(kāi)發(fā)。在體全息圖像記錄影響因素研究方面,本文從曝光量、波前失配以及材料曝光后的散射因素進(jìn)行了分析。研究表明,適當(dāng)?shù)钠毓饬啃纬奢^低的衍射效率比接近最高衍射效率更有利于圖像的精確重現(xiàn):再現(xiàn)光發(fā)散角與參考光不一致時(shí)主要影響光場(chǎng)的亮暗分布,并不會(huì)影響再現(xiàn)圖像的分辨率;散射因素是影響圖像重建對(duì)比度的因素之一,散射因素對(duì)每一幅全息圖的最低衍射效率提出要求。通過(guò)散射分析,本文最終確定了兩種更適用于瞬態(tài)多幅體全息記錄的材料配方。在方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面,本論文設(shè)計(jì)了一種基于序列脈沖激光器、Pockels Cell陣列以及體全息角度復(fù)用技術(shù)的粒子場(chǎng)瞬態(tài)多幅體全息記錄方案,該方案兼顧了體全息材料的角度復(fù)用特點(diǎn)、粒子場(chǎng)記錄特點(diǎn)、系統(tǒng)的快速調(diào)試方法以及系統(tǒng)的精確同步等方面。同時(shí),針對(duì)脈沖激光加載生成的高速粒子場(chǎng),本文開(kāi)展了瞬態(tài)多幅體全息記錄實(shí)驗(yàn),得到四個(gè)時(shí)刻的瞬態(tài)體全息圖像,實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了本方案的可行性。最后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,本方案在角度空間上還有較大復(fù)用潛力,在激光能量充足的情況下可實(shí)現(xiàn)更多幅瞬態(tài)體全息記錄。
【圖文】：

圖１．１多種場(chǎng)景中的粒子場(chǎng)逡逑⑷材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)；（ｂ）高密度噴霧；（ｃ）血紅細(xì)胞；（ｄ）錯(cuò)粉燃燒；（ｅ）浮游生逡逑物；（ｆ）四缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)逡逑全息技術(shù)作為本論文的重點(diǎn)，也是粒子場(chǎng)診斷中的重要技術(shù)，已經(jīng)在多種場(chǎng)合取得逡逑２逡逑

圖１．２美國(guó)空軍研制的粒子場(chǎng)全息診斷系統(tǒng)及其診斷的顆粒度分布逡逑隨后全息技術(shù)在粒ｆ場(chǎng)診斷屮進(jìn)入／快速的應(yīng)⑴期，，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家采用全逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O438.1

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本文編號(hào)：2693620