CN100533114C - 全波剖面测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开一种全波剖面测试系统，用于测试研究在高温高压等极端条件下，材料内部和自由面速度快速变化的所谓波剖面变化过程。本发明的系统包括位移干涉仪、速度干涉仪、光纤环行器，光束分离器和大芯径光纤分束器，可以同时测试波剖面变化过程。本发明的系统集中了两种干涉仪的功能和优点，测试结果互相补充和校对，可以得到较为完全的波剖面测试结果。本发明可用于军工、材料科学、天体物理、地球物理等领域。

Description

全波剖面测试系统

技术领域

本发明属于冲击波物理和爆轰物理研究领域，研究冲击波作用下各种材料的应力—应变特性。具体涉及一种激光干涉系统，用于测试冲击波在加载样品中传播、卸载、再加载，引起自由面和内部粒子速度快速变化的过程，即所谓波剖面变化过程。

背景技术

冲击波物理和爆轰物理实验研究中，伴随冲击波在试验样品中加载、卸载和再加载过程，会在样品内部和表面(称为自由面)引起剧烈地速度变化，在纳秒量级时间内，从静止状态变为几百米每秒至几千米每秒，并表现为不断变化的加减速过程。测试这一过程，称为波剖面测试技术，用来了解材料在冲击波作用下应力—应变的力学特性，是研究各种材料在高温高压等极端条件下性能变化的主要手段。不仅在军工领域，而且在材料科学、天体物理及地球物理等领域都有应用前景。

此前主要发展了两种波剖面测试技术，即激光干涉位移测试仪和激光干涉速度测试仪技术，简称位移干涉仪和速度干涉仪。两者都取得了大量的成果，但两者都有其局限性。

位移干涉仪的原理是用一束激光在待测样品表面(或用加窗技术形成的内部界面)反射，因多普勒效应产生频移，使返回干涉仪的光带有运动信息，和仪器内的本机激光(原频率光)产生差拍干涉，输出频率为v_s(t)的拍频信号：

v_s(t)＝2u(t)/λ₀…………………………(1)

式中，u(t)是t时刻样品自由面速度，λ₀是原始激光波长。拍频信号由光电转换—记录系统(一般由光电倍增管和示波器组成)记录。到t时刻记录到的正弦波数，称为条纹数F(t)，和此时刻样品自由面位移S(t)之间的关系为：

$S\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2}F\left(t\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

位移干涉仪可以精确地表现微位移—时间关系。但是，位移干涉仪的信号频率和自由面速度成正比，速度千米每秒时、频率达到千兆赫量级，对光电转换—记录系统提出很高的要求，或者说，位移干涉仪一般只用于自由面速度较低情况。另外，波剖面以速度—时间曲线表示，这需要微分(2)式获得。为了降低不确定度，Δt取值不能太小，这和波剖面测试有很大矛盾，因为在波剖面的一些区段，速度虽有变化，但持续时间极短，采用微分方法表现不出来，或者偏差很大，因此，位移干涉仪往往会失去波剖面速度的一些细节变化。

速度干涉仪的原理是用一束激光在样品表面反射，带有运动信息的激光返回干涉仪，在仪器内分为两束，运行不同时间后再叠加干涉，即两光束有一段相对延迟时间τ，相当于带有不同时刻运动信息的光在仪器内产生差拍干涉，输出的信号频率：

$v_u\left(t\right)=\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_0}[u\left(t\right)-u(t-\mathrm{\τ})]\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

到t时刻，示波器上记录的条纹数F(t)和此时刻样品速度的关系为：

$u\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\τ}}F\left(t\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·..\left(4\right)$

速度干涉仪可在很大速度范围内测试波剖面变化过程。但是，其信号频率和样品在τ时间内的速度变化成正比，在冲击波作用下，样品自由面会在极短时间内产生很大的速度变化，光电转换—记录系统的频率响应可能跟不上信号频率变化。例如λ₀＝532nm，全系统频率响应500MHz的速度干涉仪，被测样品在τ时间内的变化限定在133m/s。因此，速度干涉仪测试波剖面常有丢条纹现象，虽然可用补加整数条纹的方法找回答案，但也会引入歧义解。

发明内容

针对现有测量仪器进行剖面测试时会失去波剖面的细节变化和速度变化太快会丢条纹的缺点，本发明提供一种全波剖面测试系统。采用本发明可以得到较为完全的波剖面变化曲线。

本发明的一种全波剖面测试系统，其特点是含有大芯径光纤分束器，光纤环行器和光束分离系统，并由它们把位移干涉仪，速度干涉仪和测试探头连接起来形成完整的测试系统。测试系统可以把固体激光器输出的532nm激光，以及光纤激光器输出的1550nm红外激光同时引向被测试样品，又接收从样品漫反射的、带有运动信息的返回光(称为信号光)送回位移干涉仪和速度干涉仪，得到较为完全的波剖面变化曲线。

本发明的一种全波剖面测试系统连接关系是，光纤激光器与光纤环行器一端的两个端口之一相连接，光纤环行器另一端与大芯径光纤分束器一端相连接。固体激光器输出光束经过光束分离系统后，进入光纤，再与大芯径光纤分束器相连接，大芯径光纤分束器另一端与传输到实验段的光纤连接，并经探头把两种激光引向被测试样品。回波信号光又由大芯径光纤分束器的两个端口分别送入位移干涉仪和速度干涉仪。

本发明的一种全波剖面测试系统采用具有光隔离作用的光纤环行器。来自光纤激光器的激光由光纤环行器一端的两端口之一进入，另一端输出，而返回的信号光直接进入位移干涉仪，不会分光返回光纤激光器。与采用1×2光纤耦合器的类似系统相比较，采用光纤环行器可以使返回位移干涉仪的信号光强度增加近一倍。并且没有回光信号返回到光纤激光器影响其工作。

本发明的一种全波剖面测试系统含有一个光束分离系统，由反射镜、带孔反射镜和透镜系统组成，固体激光器输出的532nm激光由反射镜转折，经小透镜并穿过带孔反射镜的小孔成像在光纤端面上，经大芯径光纤分束器送到被测样品。光纤端面要磨成斜角，使端面反射的非信号光偏离反射镜，不进入速度干涉仪。而从被测样品返回的信号光从光纤端面输出，按其数值孔径发散，再经过带孔反射镜和大透镜成象在速度干涉仪的输入端口上，引入速度干涉仪。

本发明的一种全波剖面测试系统中的大芯径光纤分束器由芯径几百微米的光纤组成，用于传输532nm和1550nm两种激光，并把位移干涉仪和速度干涉仪连接成一个系统。为防止光纤连接处的端面菲涅尔反射光返回干涉仪降低信噪比，光纤连接处的端面磨成斜面。出光纤环行器端口的光纤采用芯径9μm，数值孔径0.11的单模光纤，它与大芯径光纤分束器的光纤采用标准的FC/APC方式连接，端面斜角8°。出光束分离系统的光纤是大芯径光纤，数值孔径大于0.11，与大芯径光纤分束器的光纤连接时，不能采用标准FC/APC方式，需要按照大芯径光纤的数值孔径重新设定斜角，成为异型FC/APC连接方式。使端面菲涅尔反射光再进入光纤时，从光纤泄露而不能返回干涉仪。

本发明的一种全波剖面测试系统，其中位移干涉仪采用1550nm光纤激光器，也可采用1310nm光纤激光器。速度干涉仪采用的532nm固体激光器，也可采用输出514.5nm的氩离子激光器。

本发明的一种全波剖面测试系统，用两种干涉仪同时测试波剖面，在波剖面测试中测试结果两者互补，位移干涉仪重点监测速度较低，但变化较快的起始阶段。速度干涉仪重点监测高位速度下的变化，并显示速度快速变化的拐点，而又由位移干涉仪给出拐点处的真实速度值。两种干涉仪测试结果互相补充和校对，得到较为完全的波剖面变化曲线。

附图说明

图1为本发明的全波剖面测试系统结构示意框图。

具体实施方式

图1所示，本发明的全波剖面测试系统，包括位移干涉仪、速度干涉仪、光纤环行器、大芯径光纤分束器以及光束分离系统。位移干涉仪采用光纤激光器，速度干涉仪采用固体激光器，外围设备包括光电转换记录系统和探头。全波剖面测试系统中的光束分离系统含有反射镜，小透镜，带孔反射镜和大透镜。固体激光器输出的532nm激光经反射镜转折，由小透镜会聚并穿过带孔反射镜中心小孔，成象在光纤7端面上。中心小孔为直径约2～3mm喇叭孔，与反射镜表面成45°角。激光进入光纤7端面后，经过异型FC/APC连接器、大芯径光纤分束器和探头，照明被测样品，又经样品漫反射、探头收集漫反射的信号光，进入光纤，并逆向经过大芯径光纤分束器分成两束，分别引入位移干涉仪和速度干涉仪。但进入位移干涉仪的532nm光被位移干涉仪中的光纤滤波器滤掉。进入速度干涉仪的1550nm光被速度干涉仪中的窄带滤光片滤掉。信号光从光纤7发散出射，发散角等于2倍数值孔径角，又经带孔反射镜转折(中心小孔损失约2％～3％能量)，由大透镜会聚成象，从速度干涉仪的端口8引入速度干涉仪。光纤7端面磨成12°斜角，以免来自光纤分束系统的入射光从端面反射直接进入速度干涉仪，降低信噪比。

全波剖面测试系统中的大芯径光纤分束器，由600μm，NA＝0.22光纤组成，芯径570μm。从大芯径光纤分束器的端口4接出的尾纤和光纤环行器的端口3接出的尾纤(芯径9μm，单模光纤)以标准FC/APC方式连接，两光纤端面斜角8°。从大芯径光纤分束器的端口5接出的尾纤和光纤7端面接出的光纤用异型FC/APC方式连接，两光纤端面斜角12°。从大芯径光纤分束器端口6接出的尾纤和传向探头的光纤也用端面斜角12°的异型FC/APC方式连接。

全波剖面测试系统中的光纤环行器，结构类似于1×2光纤耦合器，但激光器在内部单向运行。由光纤环行器的端口1进入，光纤环行器的端口3输出。被测面返回的信号光，经光纤环行器的端口3后，从光纤环行器的端口2输出，而不会分光从光纤环形行的端口1输出。所以，和1×2光纤耦合器相比，返回的信号光不会进入位移干涉仪的光纤激光器光源影响其工作。同时使返回位移干涉仪的有效信号光强度加倍。

Claims (7)

1.一种全波剖面测试系统，其特征在于：所述系统包括位移干涉仪、速度干涉仪、用来分离位移干涉仪中输出激光和返回信号光的光纤环行器、大芯径光纤分束器、光束分离器，以及外围设备；外围设备包含光电转换记录系统和探头；位移干涉仪采用光纤激光器，速度干涉仪采用固体激光器；

其连接关系是：光纤环行器一侧的两端口分别和光纤激光器及位移干涉仪的输入端口相连接，另一侧的端口和大芯径光纤分束器的一侧的两端口之一相连接；光束分离器把固体激光器输出的激光经光纤引向大芯径光纤分束器同一侧的另一个端口；大芯径光纤分束器另一侧的端口又通过光纤把光纤激光器和固体激光器输出的激光引向探头，照明被测样品，并接收返回的信号光，由大芯径光纤分束器分光，分别送回位移干涉仪和速度干涉仪；所述的大芯径光纤分束器采用直径为100～900微米的光纤。

2.根据权利要求1所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述用来分离激光输出和返回速度干涉仪的光束分离器包括反射镜、小透镜、带孔反射镜和大透镜；固体激光器输出的激光由反射镜转折，经小透镜并穿过带孔反射镜的小孔成像在光纤端面上，经大芯径光纤分束器送到被测样品。

3.根据权利要求1所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述系统的光纤端面为斜角，斜角角度的大小根据光纤数值孔径确定。

4.根据权利要求1所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述的光纤激光器输出激光波长为1550nm或1310nm。

5.根据权利要求1所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述的固体激光器输出激光波长为532nm。

6.根据权利要求1所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述的固体激光器采用输出激光波长为514.5nm的氩离子激光器替代。

7.根据权利要求3所述的全波剖面测试系统，其特征在于：所述的光纤端面斜角的角度为8°或12°。

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