CN100346172C - 一种激光干涉测速仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉测速仪，含有激光输入系统、干涉仪主体、四探头记录系统、4f透镜延迟系统、光强监测系统和干涉条纹监测系统。干涉仪主体中的三个分束镜设置为等腰三角形的三个顶点，三个分束镜的连接线构成的等腰三角形的三条边为激光束在干涉仪主体内运行路径的中心线，围绕等腰三角形的三条光路的延长线上相继设置其它组成部分。透镜延迟系统设置在三角形一腰的延长线上，移动一块转折反射镜就可改变激光干涉测速仪的灵敏度。同时方便的实现四探头记录，提高信噪比。仪器内的平面元件使得造价大幅度降低，4f透镜延迟系统中的透镜可按光束实际需要的直径进行研制。本发明结构紧凑、调试简单，具有较完善的实时监测系统，系统稳定，容易使用，研制难度和成本也大大降低。

Description

一种激光干涉测速仪

技术领域

本发明属于激光测试装置领域，具体涉及一种激光干涉测速仪。

背景技术

激光干涉测速仪，又称为VISAR(Velocity Interferometer System for Any Reflector)，是利用激光器发出的激光束射到待测试的高速运动物体表面时，产生反射，返回的激光因多普勒(Doppler)效应而产生频率变化，再通过外差拍频干涉检测技术跟踪频率变化过程，因而能连续测试出运动体表面(或者内部粒子)速度、加速度的变化过程。这种干涉测速仪特别有利于研究高速撞击下各种样品材料的性能，是冲击波物理和爆轰物理研究领域标准的测量仪器，在军工以及天体物理、地球物理研究领域都有广泛应用前景。

现有的激光干涉测速仪，其干涉仪的主体采用玻璃标准具作延迟元件，带有速度信息的光束(称为信号光束)倾斜一个小角度进入干涉仪，在干涉仪内部分为两部分，一部分传输经过较短光程称为参考光束，另一部分经历较长光程称为延迟光束，参考光束与延迟光束再合束发生干涉送入四个光电探头和示波器进行记录。

但当被测试对象的速度只有几十米每秒到几百米每秒，又变化较缓慢时，激光干涉测速仪采用透镜系统作延迟元件，使分离的两束光相对产生更多延迟时间之后再合束干涉。但是，这种情况下信号光束不能倾斜进入干涉仪，因而发生干涉后不能使用四探头记录。一般采用三探头记录，它的信噪比低于四探头记录的仪器。

为了在测试低速度、慢变化的物体时也使用四探头记录，美国《科学仪器评论》1992年5月第63卷第5期中发表的《Depth of focus in velocity interferometer system for anyreflector systems》一文中，提出一种实现四探头记录的方案，主要是采取让信号光束从透镜的一边正入射进入透镜系统，又在透镜系统后面设置角锥棱镜使光束从透镜的另一边返回。使入射光束和返回光束分离，因而实现四探头记录。但是采用这个方案研制仪器，结构较复杂，安装调试困难，当需要更换透镜系统来改变干涉仪内部延迟时间(称为改变仪器灵敏度)时，需要重新调整仪器，并使仪器变得庞大。另外，进入仪器的信号光束直径一般只有10mm左右，但为了配合角锥棱镜把输入和返回光束分开，必须加大透镜直径，研制相对孔径较大的透镜系统，研制难度和成本会呈量级地增加。

发明内容

为了克服已有技术中的激光干涉测速仪结构较复杂、安装调试困难、制造成本较高的不足，本发明提供一种结构紧凑、调试简单、系统稳定、成本较低的激光干涉测速仪。

本发明的激光干涉测速仪，包括激光输入系统、干涉仪主体、四探头记录系统、4f透镜延迟系统、光强监测系统和干涉条纹监视系统；其特点是：

激光输入系统包括光纤、准直镜、偏振镜、滤光片，激光输入系统将来自被测样品的激光转换成线偏振的准直光束送入干涉仪主体；

干涉仪主体包括主分束镜、合束镜、分束镜，将进入的光束分为两束光，一束光为穿透主分束镜、射向分束镜、再由分束镜送到合束镜的参考光束；另一束光被主分束镜反射，进入4f透镜延迟系统；

4f透镜延迟系统包括转折反射镜、两个复合透镜和后向反射镜，设置在干涉仪主体外光路上；

用于被测样品不动时监测进入仪器的静态光强和样品运动时的动态光强变化的光强监测系统包括光强分束镜、光电池、光电探头和数字面板，位于由主分束镜输出的光穿透分束镜向外延伸的光路上；

四探头记录系统分别设置在延迟光束透过合束镜延续的相干光路上及参考光束透过合束镜延续的相干光路上；

用于监视干涉条纹的调节质量的干涉条纹监视系统，包括条纹监测分束镜和CCD相机，位于合束镜后的相干光路上。

干涉仪主体的主分束镜、合束镜及分束镜设置在等腰三角形的三个顶点上，三个分束镜的连线构成的等腰三角形的三条边为激光束在干涉仪主体内运行路径的中心线。

4f透镜延迟系统光路结构为：被主分束镜反射的进入4f透镜延迟系统的光经转折反射镜反射、穿透复合透镜，射向后向反射镜；又由后向反射镜反射，并按原来的光路穿透复合透镜，射向转折反射镜，再经过转折反射镜的反射返回到主分束镜，并穿透主分束镜到达合束镜。

四探头记录系统，包括两个偏振分束镜和四个光电探头，位于等腰三角形两腰的光路延长线上，每个偏振分束镜带两个光电探头组成为一组，沿参考光束透过合束镜后的相干光路上设置一组；沿延迟光束透过合束镜后的相干光路上设置另一组，这两组共同实现四探头记录。

用于监测静态光强和动态光强度变化的光强监测系统为：利用经过主分束镜后透过干涉仪主体中分束镜的光能量，由光强分束镜、光电池组成静态光强监测系统，并由数字面板显示光强数据；由光强分束镜和光电探头组成动态光强监测系统与其它四个光电探头同步测试光强变化。

干涉条纹监测系统包括条纹监测分束镜和CCD相机；参考光束与延迟光束在合束镜处会合，由合束镜输出两路相干光束，干涉条纹监测系统设置在延迟光束通过合束镜后的相干光路中，由条纹监测分束镜分出部分光，由CCD相机观察干涉条纹，并输入计算机显示调出的干涉条纹。

干涉仪主体结构中，光束在主分束镜和合束镜之间的光程与分束镜和合束镜之间的光程相等。

4f透镜延迟系统中，复合透镜对称且共焦点，4f透镜延迟系统的前焦点到干涉仪主体中主分束镜的距离等于主分束镜到分束镜距离的1/2。

在干涉仪主体外可设置多套4f透镜延迟系统。

4f透镜延迟系统位于主分束镜、合束镜及分束镜的光路构成的等腰三角形一腰的延长线上，并经过转折反射镜使4f透镜延迟系统中各透镜中心线与等腰三角形的底边平行；光强监测系统位于等腰三角形的的底边延长线上；干涉条纹监测系统和四探头记录系统位于等腰三角形向外延伸的相干光路上。

干涉仪主体由三个分束镜围成一个等腰三角形，分束镜分别位于等腰三角形的顶点，形成等腰三角形光路，围绕等腰三角形的三条光路的延伸线上相继设置其它组成部分。

激光输入系统把来自样品的光变成直径约10mm的准直光束，并由偏振镜改造成线偏振光送入干涉仪主体。干涉仪主体把入射光束分为两束光，又使它们经历不同的路径后再重合叠加，发生干涉后送入由四个探头组成的记录系统。

准直光束在主分束镜上被分成两部分：一部分穿透主分束镜；一部分被主分束镜反射。穿透主分束镜的光束射向分束镜(沿等腰三角形的底边光路)，再由分束镜反射一部分送到合束镜，这条光束称为参考光束。被主分束镜反射的一部分光，进入到按照傅立叶变换技术设计的4f透镜延迟系统。

4f透镜延迟系统由转折反射镜、两个复合透镜和后向反射镜组成，4f透镜延迟系统的透镜的中心轴线与干涉仪主体等腰三角形的底边保持平行。进入4f透镜延迟系统的这部分光经过转折反射镜的反射，穿过两个复合透镜后，射向后向反射镜。又由后向反射镜反射回来，并按原来的路径穿透两个复合透镜，射向转折反射镜，再经过转折反射镜的反射后返回到主分束镜，并穿透主分束镜到达合束镜，这部分光在4f透镜延迟系统中走了一圈又回来，比参考光束走了更多的路径，用了更长的时间，称为延迟光束。

设计干涉仪主体时，使4f透镜延迟系统的前焦点到主分束镜的距离等于主分束镜到分束镜距离(即等腰三角形底边)的1/2。这样，延迟光束只在4f透镜系统中来回传输两次，相对于参考光束有延迟时间，而在干涉仪主体内，两光束经历的路程相等，没有时间差，满足VISAR的原理要求。

在合束镜上，参考光束透射的部分和延迟光束的反射部分发生干涉后进入到由分束镜至合束镜向外延伸的探测器光路，干涉光又经过探测器光路上的偏振分束镜被分成两路送入光电探头进行记录。同时，参考光束在合束镜上的反射部分和延迟光束在合束镜上的透过部分也发生干涉，进入到由主分束镜至合束镜向外延伸的探测器支路、干涉光经过探测器光路上的偏振分束器也被分成两路送入另外两个探头进行记录。因为处在等腰三角形顶角的这个分束镜在系统中的作用是使参考光束和延迟光束合束发生干涉，所以称之为合束镜。

光强监测系统利用穿透干涉仪分束镜的光能量，显示进入激光干涉测速仪的光强度，监测静/动态光强的变化过程。透过分束镜的这部分光不和延迟光束发生干涉，不形成条纹，但能反映输入仪器的光强。因为激光干涉仪测试的对象可以是各种金属和非金属样品，样品表面处理也不同，会使从样品返回仪器的光强度差别很大。实验前检测并显示静态光强，用于确定示波器的灵敏度参数，或者在不同样品情况下，通过调节激光器的输出功率，使功率显示数处在最佳范围内，采用以往实验确定的示波器的灵敏度参数。在冲击加载时，样品表面变形或者冲击发光等又会使光强发生变化，监测这种动态变化过程，可帮助解释实验中出现的异常情况和处理实验数据。

本发明的一种激光干涉测速仪把4f透镜延迟系统设置在干涉仪主体之外，便于设置多组延迟时间不同的透镜系统，通过移动一块反射镜就可改变延迟时间，得到不同的测速灵敏度。并对调试情况适时进行监视。本发明采用价格较低的平面元件代替价格昂贵的角锥棱镜，整个装置结构紧凑，调试简单，具有较完善的实时监测系统，易于使用。本发明的4f透镜系统可按实际需要的光束直径进行研制，研制难度和成本大大降低。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的激光干涉测速仪的光路原理图

图中：1.光纤    2.准直镜    3.偏振镜    4.滤光片    5.主分束镜6.合束镜    7.分束镜    8.1/4波片    转折反射镜(9-1、9-2)复合透镜(10-1、10-2、10-3、10-4)    后向反射镜(11-1、11-2)偏振分束镜(12-1、12-2)    光电探头(13-1、13-2、13-3、13-4)14.光强分束镜    15.光电池    16.光电探头    17.条纹监测分束镜18、CCD相机

具体实施方式

一种激光干涉测速仪，包括激光输入系统、干涉仪主体、四探头记录系统、4f透镜延迟系统、光强监测系统和干涉条纹监视系统。

激光输入系统包括光纤1、准直镜2、偏振镜3、滤光片4。带有被测样品速度信息的信号光由光纤传入，通过准直镜2成为准直光束，再通过偏振镜3成为线偏振光，并由窄带滤光片4把环境杂散光以及高速冲击实验产生的杂光滤掉，改善信号质量，然后成为一束直径约10mm，发散度10mrad～20mrad的准直光束(线偏振)输入干涉仪主体。

准直光束进入干涉仪主体时，入射光在主分束镜5上被分成两部分，一部分穿透主分束镜5；一部分被主分束镜5反射。穿透主分束镜5的光射向分束镜7(按等腰三角形设置的底边光路)，再由分束镜7反射一部分送到合束镜6，这条光束为参考光束。被主分束镜5反射的另一部分光，进入到按照傅立叶变换技术设计的4f透镜延迟系统。

本发明的激光干涉测速仪系统可设置两套4f透镜延迟系统，第一套4f透镜延迟系统由转折反射镜(9-1)、复合透镜(10-1、10-2)和后向反射镜(11-1)组成，复合透镜(10-1、10-2)的中心轴线与干涉仪主体的主分束镜5至分束镜7的光束运行路径中心线保持平行。被主分束镜(5)反射的进入4f透镜延迟系统的光束经转折反射镜(9-1)反射、穿透复合透镜(10-1、10-2)，射向后向反射镜(11-1)，又由后向反射镜(11-1)反射回来，并按原来的路径穿透复合透镜(10-2、10-1)，射向转折反射镜(9-1)，再经过转折反射镜(9-1)的反射后返回到主分束镜5，并穿透主分束镜5到达合束镜6，这部分光在4f透镜延迟系统中来回走了一圈，比参考光束走了更多的路径，用了更长的时间，所以，这条光束称为延迟光束。根据需要移走第一套4f透镜延迟系统的转折反射镜(9-1)，即可启用灵敏度不同的第二套4f透镜延迟系统，第二套4f透镜延迟系统包括反射镜(9-2)、复合透镜(10-3、10-4)及向后反射镜(11-2)，复合透镜(10-3、10-4)的中心轴线与干涉仪主体的主分束镜5到分束镜7的光束运行路径中心线平行；被主分束镜5反射进入4f透镜延迟系统的光束经转折反射镜(9-2)反射、穿透复合透镜(10-3、10-4)射向后向反射镜(11-2)，又由后向反射镜(11-2)反射回来，并按原来的光束路径穿透复合透镜(10-4、10-3)，射向转折反射镜(9-2)，再经过转折反射镜(9-2)的反射回到主分束镜5，穿透主分束镜5到达合束镜6。

4f透镜延迟系统中，复合透镜(10-1)和(10-2)对称且共焦(点)，复合透镜(10-3)和(10-4)对称且共焦(点)，光束通过4f透镜延迟系统，并在后透镜的后焦点处设置后向反射镜(11-1、11-2)，使光束返回，在前透镜的前焦点处完全重现输入时光波波阵面，一般要求剩余波象差小于λ/20，其中λ表示所用激光光源的波长。干涉仪设计时，4f系统的前焦点到主分束镜5的距离等于主分束镜5到分束镜7距离的1/2，使延迟光束只在两次经过4f系统中得到延迟时间，而在干涉仪主体内等光程，满足VISAR原理要求。

四探头记录系统位于激光干涉仪主体合束镜6后的延长线(干涉光路)上，参考光束在合束镜6上透射的光和延迟光束的反射光发生干涉，干涉光进入到由分束镜7至合束镜6向外延伸的探测器光路，干涉光又经过探测器光路上的偏振分束镜(12-1)被分成两路送入光电探头(13-1)和(13-2)进行记录。同时，参考光束在合束镜6上的反射光和延迟光束在合束镜6透过的光也发生干涉，进入到由主分束镜5至合束镜6的探测器支路，这部分干涉光经过探测器光路上的偏振分束镜(12-2)也被分成两路送入另外两支光电探头(13-3)和(13-4)进行记录，共同实现四探头记录。

在系统调试时，偏振镜3的偏振化方向处于和水平面成45°角(或135°角)的方向，而把1/4波片8和偏振分束镜(12-1、12-2)的晶体光轴调到水平方向。这样，干涉光经过探测器支路上的偏振分束镜之后，就成为偏振化方向分别处于水平方向和铅直方向的两束光，而它们的相位差为π/2。1/4波片8放在主分束镜5和分束镜7之间的光路上。

光强监测系统，包括光强分束镜14，光电池15和光电探头16。该系统设置在干涉仪主体的分束镜7的后面，利用透过分束镜7的光能量进行光强监测。由光强分束镜14和光电池15监测静态光强，然后输进

位数字面板表，显示静态情况下进入仪器的光强度。使用激光干涉测速仪时，应预先标定示波器垂直灵敏度和光强显示数的关系。在实验时，针对不同样品，调节激光器的输出功率，使显示数处于最佳范围，以便采用设定的灵敏度。由光强分束镜14和光电探头16组成动态光强监测系统，并与光电探头(13-1、13-2、13-3、13-4)同步测试从样品返回光强的变化过程。

干涉条纹监视系统包括条纹监测分束镜17和CCD相机18。参考光束与延迟光束这两路光束在合束镜6处会合，由合束镜6输出两路相干光束，干涉条纹监测系统放在延迟光束通过合束镜6后的一个相干光束光路中，由条纹监测分束镜17分出少量光能量，通过CCD相机观察干涉条纹，并输入计算机显示调出的干涉条纹，确认实验前干涉条纹已经调好，仪器处于最佳状态。

本发明在光强监测系统中设置第五只光电探头16，和四探头记录系统中的四只光电探头(13-1、13-2、13-3、13-4)同步记录信号。

本发明的激光干涉测速仪中所用的光电探头均采用快响应光电倍增管。

本发明的激光干涉测速仪可设置多套4f透镜延迟系统，预先分别调节好，只需移动转折反射镜(9-1)的位置就可改变激光干涉测速仪的灵敏度。

Claims (10)

1.一种激光干涉测速仪，包括激光输入系统、干涉仪主体、四探头记录系统、4f透镜延迟系统、光强监测系统和干涉条纹监视系统；其特征在于：

激光输入系统包括光纤(1)、准直镜(2)、偏振镜(3)、滤光片(4)，激光输入系统将来自被测样品的激光转换成线偏振的准直光束送入干涉仪主体；

干涉仪主体包括主分束镜(5)、合束镜(6)、分束镜(7)，将进入的光束分为两束光，一束光为穿透主分束镜(5)、射向分束镜(7)、再由分束镜(7)送到合束镜(6)的参考光束；另一束光被主分束镜(5)反射，进入4f透镜延迟系统；

4f透镜延迟系统包括转折反射镜(9-1)、复合透镜(10-1、10-2)和后向反射镜(11-1)，设置在干涉仪主体外光路上；

用于被测样品不动时监测进入仪器的静态光强和样品运动时的动态光强变化的光强监测系统包括光强分束镜(14)、光电池(15)、光电探头(16)和数字面板，位于由主分束镜(5)输出的光穿透分束镜(7)向外延伸的光路上；

四探头记录系统分别设置在延迟光束透过合束镜(6)延续的相干光路上及参考光束透过合束镜(6)延续的相干光路上；

用于监视干涉条纹的调节质量的干涉条纹监视系统包括条纹监测分束镜(17)和CCD相机(18)，位于合束镜(6)后的相干光路上。

2.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的干涉仪主体的主分束镜(5)、合束镜(6)及分束镜(7)设置在等腰三角形的三个顶点上，主分束镜(5)、合束镜(6)及分束镜(7)的连线构成的等腰三角形的三条边为激光束在干涉仪主体内运行路径的中心线。

3.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的4f透镜延迟系统光路结构为被主分束镜(5)反射的进入4f透镜延迟系统的光经转折反射镜(9-1)反射、穿透复合透镜(10-1、10-2)，射向后向反射镜(11-1)；又由后向反射镜(11-1)反射，并按原来的光路穿透复合透镜(10-2、10-1)，射向转折反射镜(9-1)，再经过转折反射镜(9-1)的反射返同到主分束镜(5)，并穿透主分束镜(5)到达合束镜(6)。

4.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的四探头记录系统包括两个偏振分束镜和四个光电探头，位于等腰三角形两腰的光路延长线上，每个偏振分束镜带两个光电探头组成为一组，沿参考光束透过合束镜(6)后的相干光路上设置一组；沿延迟光束透过合束镜(6)后的相干光路上设置另一组。

5.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的用于监测静态光强和动态光强度变化的光强监测系统，包括光强分束镜(14)、光电池(15)和光电探头(16)；由光强分束镜(14)、光电池(15)组成静态光强监测系统，并由数字面板显示光强数据；由光强分束镜(14)和光电探头(16)组成动态光强监测系统，并与四探头记录系统中的光电探头(13-1、13-2、13-3、13-4)同步测试光强变化。

6.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的干涉条纹监视系统包括条纹监测分束镜(17)和CCD相机(18)；参考光束与延迟光束在合束镜(6)处会合，由合束镜(6)输出两路相干光束，干涉条纹监视系统设置在延迟光束通过合束镜(6)后的一个相干光路中，由条纹监测分束镜(17)分出部分光，通过CCD相机(18)观察干涉条纹，并输入计算机显示调出的干涉条纹。

7.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的干涉仪主体结构中，光束在主分束镜(5)和合束镜(6)之间的光程与分束镜(7)和合束镜(6)之间的光程相等。

8.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的4f透镜延迟系统中，复合透镜对称且共焦点，4f透镜延迟系统的前焦点到干涉仪主体中主分束镜(5)的距离等于主分束镜(5)到分束镜(7)距离的1/2。

9.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：在干涉仪主体外可设置多套4f透镜延迟系统。

10.根据权利要求1所述的激光干涉测速仪，其特征在于：所述的4f透镜延迟系统位于主分束镜(5)、合束镜(6)及分束镜(7)的光路构成的等腰三角形一腰的延长线上，并经过转折反射镜(9-1)使4f透镜延迟系统中各透镜中心线与等腰三角形的底边平行；光强监测系统位于等腰三角形的的底边延长线上；干涉条纹监视系统和四探头记录系统位于等腰三角形向外延伸的相干光路上。

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