【摘要】：凝聚態(tài)介質(zhì)在快速加載情況下物理性質(zhì)和狀態(tài)的變化規(guī)律是沖擊波物理的主要研究?jī)?nèi)容。沖擊波物理研究在航空航天、地質(zhì)勘探、國(guó)防工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的實(shí)際運(yùn)用。沖擊波物理研究的主要特點(diǎn)是對(duì)波的傳播和解析,而沖擊波的傳播速度同介質(zhì)的聲速量級(jí)相當(dāng)(10km/s)。因此,要求診斷測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為納秒量級(jí)甚至更快。激光干涉測(cè)速技術(shù)具有良好的時(shí)間分辨率、速度分辨率、非接觸性和測(cè)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)其出現(xiàn)后迅速成為沖擊波物理實(shí)驗(yàn)中主流診斷方法。因此,探索和發(fā)展新的激光干涉測(cè)速系統(tǒng),不斷提高其性能參數(shù)同時(shí)拓展應(yīng)用范圍,在沖擊波物理領(lǐng)域仍然具有重要的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。本文從傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀著眼,對(duì)激光位移干涉儀進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,分析了其理論原理,技術(shù)要求、數(shù)據(jù)處理方法、限制因素、適用條件等。為了減弱限制因素,拓寬適用范圍,設(shè)計(jì)并且搭建了短波長(zhǎng)激光位移干涉系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下分別進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),比較其相對(duì)于傳統(tǒng)激光位移干涉儀的性能特點(diǎn)。論文的主要工作包括以下幾點(diǎn):1:簡(jiǎn)單介紹了激光干涉測(cè)速儀的發(fā)展歷史和各類干涉儀的應(yīng)用范圍。簡(jiǎn)述了激光干涉測(cè)速儀的基本結(jié)構(gòu)和原理。將激光干涉測(cè)速儀中光譜寬度、初始相位差和信號(hào)調(diào)制度等因素對(duì)干涉信號(hào)質(zhì)量的影響一一進(jìn)行了分析。從分析中可知當(dāng)信號(hào)光和參考光光程不相等時(shí),一般使用單頻激光器來(lái)保證信號(hào)光和參考光具有較小的光譜寬度和穩(wěn)定的初始相位差確保最后能得到質(zhì)量較高的干涉信號(hào)。在參考光和信號(hào)光光強(qiáng)相等時(shí),干涉條紋的信號(hào)調(diào)制度最大。2:簡(jiǎn)單介紹了條紋干涉信號(hào)中最常用的處理方法-短時(shí)傅里葉變換。分析了常用的幾種窗函數(shù)在處理?xiàng)l紋信號(hào)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn),及我們使用的漢寧窗函數(shù)具有頻率辨識(shí)度較低及旁瓣小的特點(diǎn)。在對(duì)短時(shí)傅里葉變換的進(jìn)一步分析中,我們發(fā)現(xiàn)其時(shí)間分辨率和頻率分辨率的乘積存在下限,時(shí)間寬度不能隨著頻率的變化而變化,時(shí)間寬度必須超過(guò)一個(gè)條紋周期等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本,我們提出了在一臺(tái)激光器的前提條件下用短波長(zhǎng)光源(以532 nm激光光源為例)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)光源(以1550 nm激光光源為例)的設(shè)想以解決低速撞擊下的粒子速度測(cè)量問(wèn)題。3:在使用2*2光纖耦合器代替難以從市場(chǎng)上直接采購(gòu)的關(guān)鍵元器件532 nm環(huán)形器后搭建了短波長(zhǎng)位移干涉儀并且分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)參考光和信號(hào)光具有相同光路時(shí),條紋調(diào)制度穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)。在與傳統(tǒng)1550 nm位移干涉儀的低速碰撞對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,我們對(duì)干涉條紋信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)532 nm位移干涉儀具有時(shí)間分辨率更高、理論速度分辨率更精確、測(cè)得的雨功紐彈性極限(HEL)更接近真實(shí)值等優(yōu)點(diǎn)。除此之外,我們發(fā)現(xiàn)多模光纖由于色散的影響會(huì)造成干涉信號(hào)調(diào)制度不穩(wěn)定,降低條紋質(zhì)量。因此使用單模光纖代替多模光纖。
【圖文】：

并且測(cè)量出了１０６０鋁的自由面粒子速度在３０ｍ／ｓ低速撞擊下隨時(shí)間的變化歷逡逑史［３］。逡逑如圖１．１是該儀器的結(jié)構(gòu)示意圖，由激光器射出的激光經(jīng)過(guò)分束鏡被分成兩束，逡逑其中一束打在固定的反射鏡］＾上，并反射回來(lái)經(jīng)過(guò)分束鏡，另一束光打在樣品自由逡逑面，，原路返回也經(jīng)過(guò)分速鏡，兩束光在經(jīng)過(guò)分束鏡后合束，并發(fā)生干涉，經(jīng)過(guò)反射逡逑鏡Ｍ２ｇ，最后被光電探測(cè)器檢測(cè)。當(dāng)沖擊波傳到樣品自由面時(shí)，樣品自由面發(fā)生位逡逑移，當(dāng)位移距離達(dá)到ｆ時(shí)，在光電探測(cè)器上就出現(xiàn)一個(gè)完整的干涉條紋信號(hào)。根據(jù)逡逑光電探測(cè)器得到的條紋信號(hào)隨時(shí)間的變化歷史，就能得到位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，逡逑再對(duì)其進(jìn)行隨時(shí)間的微分就可得到了自由面粒子速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。逡逑１邐２邐３邋Ｍｉ逡逑１門￣Ｉ￣邐0邐１：飛片逡逑＼、＇邐＼邋Ｍ２邋２：樣品逡逑令邋0邋＼４邋＞邐＼邐３：反射鏡逡逑“、邐＼邐４：分束鏡逡逑」Ｕ邐Ｓ邐５：透鏡逡逑＾邐＾邐６：激光器逡逑邐＾邐７：光電探測(cè)器逡逑個(gè)邋、邐邐—逡逑、，逡逑６邐｜邐｜邋７逡逑圖１．１激光位移干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖逡逑如公式（１－１）所示。逡逑Ｓ（ｔ）邋＝邋＾－Ｆ（ｔ）逡逑＿邋ｄＳ邋（0邋＿邋Ａ0邐（１＿１）逡逑其中Ｓ（ｒ）表示位移隨時(shí)間的變化函數(shù)，表示條紋信號(hào)的周期數(shù)，七表示激光的波逡逑長(zhǎng)

帶寬不足對(duì)探測(cè)速度范圍的限制，測(cè)量出了ＰＭＭＡ、融石英、藍(lán)寶石的粒子速度歷逡逑史。逡逑如圖１．２是該儀器的結(jié)構(gòu)示意圖。激光器射出的激光經(jīng)過(guò)透鏡、固定的反射逡逑鏡厘１后被聚焦在樣品上后反射回來(lái)并被反射鏡Ｍ２反射，在經(jīng)過(guò)分束器后被分成兩逡逑束，其中一束為參考光，另一束為信號(hào)光。參考光經(jīng)過(guò)的光程大于信號(hào)光，這段光逡逑程造成固定的時(shí)間延遲。信號(hào)光與參考光合束后發(fā)生千涉并由光電倍增管記錄。兩逡逑束光由于都經(jīng)過(guò)樣品，因此都帶有多普勒頻移。其中一束光（信號(hào)光）對(duì)應(yīng)的頻逡逑率為／（0；其中另一束光（參考光）由于光程較長(zhǎng)，而引入時(shí)間延遲Ｔ，對(duì)應(yīng)的頻率逡逑為／０－Ｔ）。因?yàn)閮墒庠诘竭_(dá)樣品時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率不同，因此會(huì)發(fā)生干涉。對(duì)應(yīng)的逡逑干涉頻率與Ｍ⑴和Ｍ（ｆ—Ｔ）的差成正比，光電倍增管記錄下總條紋數(shù)即與最后的速度逡逑成正比。－逡逑！邋２邐１：飛片逡逑ｎ邐２：樣品逡逑３邐３：反射鏡逡逑Ｍｉ邐４：分g?鏡逡逑＾邐＼邐｜邐５：透鏡逡逑Ｖ邐６：激光器逡逑Ｕ邋Ｕ邐１邐，，邐７：光電倍增管逡逑５＜４＝ｉ＾邋４邐４邐７逡逑Ｉ邋１邐３邐山逡逑６邐７逡逑圖１．２激光速度干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖逡逑如公式（１
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH744.3

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本文編號(hào)：2709542