【摘要】：凝聚態(tài)介質在快速加載情況下物理性質和狀態(tài)的變化規(guī)律是沖擊波物理的主要研究內容。沖擊波物理研究在航空航天、地質勘探、國防工業(yè)和交通運輸等領域有著廣泛的實際運用。沖擊波物理研究的主要特點是對波的傳播和解析,而沖擊波的傳播速度同介質的聲速量級相當(10km/s)。因此,要求診斷測試系統(tǒng)的響應時間為納秒量級甚至更快。激光干涉測速技術具有良好的時間分辨率、速度分辨率、非接觸性和測速范圍廣等優(yōu)點,當其出現后迅速成為沖擊波物理實驗中主流診斷方法。因此,探索和發(fā)展新的激光干涉測速系統(tǒng),不斷提高其性能參數同時拓展應用范圍,在沖擊波物理領域仍然具有重要的實用價值和應用前景。本文從傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀著眼,對激光位移干涉儀進行了系統(tǒng)的研究,分析了其理論原理,技術要求、數據處理方法、限制因素、適用條件等。為了減弱限制因素,拓寬適用范圍,設計并且搭建了短波長激光位移干涉系統(tǒng)。對該系統(tǒng)在靜態(tài)和動態(tài)下分別進行了對比驗證實驗,比較其相對于傳統(tǒng)激光位移干涉儀的性能特點。論文的主要工作包括以下幾點:1:簡單介紹了激光干涉測速儀的發(fā)展歷史和各類干涉儀的應用范圍。簡述了激光干涉測速儀的基本結構和原理。將激光干涉測速儀中光譜寬度、初始相位差和信號調制度等因素對干涉信號質量的影響一一進行了分析。從分析中可知當信號光和參考光光程不相等時,一般使用單頻激光器來保證信號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量較高的干涉信號。在參考光和信號光光強相等時,干涉條紋的信號調制度最大。2:簡單介紹了條紋干涉信號中最常用的處理方法-短時傅里葉變換。分析了常用的幾種窗函數在處理條紋信號時的優(yōu)缺點,及我們使用的漢寧窗函數具有頻率辨識度較低及旁瓣小的特點。在對短時傅里葉變換的進一步分析中,我們發(fā)現其時間分辨率和頻率分辨率的乘積存在下限,時間寬度不能隨著頻率的變化而變化,時間寬度必須超過一個條紋周期等缺點。為了克服這些缺點同時降低經濟成本,我們提出了在一臺激光器的前提條件下用短波長光源(以532 nm激光光源為例)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的長波長光源(以1550 nm激光光源為例)的設想以解決低速撞擊下的粒子速度測量問題。3:在使用2*2光纖耦合器代替難以從市場上直接采購的關鍵元器件532 nm環(huán)形器后搭建了短波長位移干涉儀并且分別進行了靜態(tài)和動態(tài)對比實驗。在靜態(tài)實驗中,我們發(fā)現當參考光和信號光具有相同光路時,條紋調制度穩(wěn)定,抗干擾能力強。在與傳統(tǒng)1550 nm位移干涉儀的低速碰撞對比實驗中,我們對干涉條紋信號進行分析發(fā)現532 nm位移干涉儀具有時間分辨率更高、理論速度分辨率更精確、測得的雨功紐彈性極限(HEL)更接近真實值等優(yōu)點。除此之外,我們發(fā)現多模光纖由于色散的影響會造成干涉信號調制度不穩(wěn)定,降低條紋質量。因此使用單模光纖代替多模光纖。
【圖文】：

并且測量出了１０６０鋁的自由面粒子速度在３０ｍ／ｓ低速撞擊下隨時間的變化歷逡逑史［３］。逡逑如圖１．１是該儀器的結構示意圖，由激光器射出的激光經過分束鏡被分成兩束，逡逑其中一束打在固定的反射鏡］＾上，并反射回來經過分束鏡，另一束光打在樣品自由逡逑面，，原路返回也經過分速鏡，兩束光在經過分束鏡后合束，并發(fā)生干涉，經過反射逡逑鏡Ｍ２ｇ，最后被光電探測器檢測。當沖擊波傳到樣品自由面時，樣品自由面發(fā)生位逡逑移，當位移距離達到ｆ時，在光電探測器上就出現一個完整的干涉條紋信號。根據逡逑光電探測器得到的條紋信號隨時間的變化歷史，就能得到位移隨時間的變化規(guī)律，逡逑再對其進行隨時間的微分就可得到了自由面粒子速度隨時間的變化規(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：光電探測器逡逑個邋、邐邐—逡逑、，逡逑６邐｜邐｜邋７逡逑圖１．１激光位移干涉儀結構示意圖逡逑如公式（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）表示位移隨時間的變化函數，表示條紋信號的周期數，七表示激光的波逡逑長

帶寬不足對探測速度范圍的限制，測量出了ＰＭＭＡ、融石英、藍寶石的粒子速度歷逡逑史。逡逑如圖１．２是該儀器的結構示意圖。激光器射出的激光經過透鏡、固定的反射逡逑鏡厘１后被聚焦在樣品上后反射回來并被反射鏡Ｍ２反射，在經過分束器后被分成兩逡逑束，其中一束為參考光，另一束為信號光。參考光經過的光程大于信號光，這段光逡逑程造成固定的時間延遲。信號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過樣品，因此都帶有多普勒頻移。其中一束光（信號光）對應的頻逡逑率為／（0；其中另一束光（參考光）由于光程較長，而引入時間延遲Ｔ，對應的頻率逡逑為／０－Ｔ）。因為兩束光在到達樣品時，對應的頻率不同，因此會發(fā)生干涉。對應的逡逑干涉頻率與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激光速度干涉儀結構示意圖逡逑如公式（１
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH744.3

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本文編號：2709542