CN103822655B - 一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 - Google Patents
一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103822655B CN103822655B CN201410055130.5A CN201410055130A CN103822655B CN 103822655 B CN103822655 B CN 103822655B CN 201410055130 A CN201410055130 A CN 201410055130A CN 103822655 B CN103822655 B CN 103822655B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber optic
- fiber
- optical fiber
- optic splitter
- fast process
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明涉及一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，连续波光纤输出单模激光器通过光纤顺序连接光纤耦合外调制器和第一1×2光纤分束器；第一1×2光纤分束器与第二1×2光纤分束器相连，第一1×2光纤分束器与第三1×2光纤分束器相连；第二1×2光纤分束器与2×2光纤分束器相连，第三1×2光纤分束器与2×2光纤分束器相连，第二1×2光纤分束器和第三1×2光纤分束器与光纤夹持调整装置相连；2×2光纤分束器与光电二极管相连；光纤夹持调整装置的一路光轴上依次设有成像装置和第一扩束准直装置，另一路的光轴上设有图像采集装置。本发明使大测量景深和纳秒尺度的时间分辨率同时在一套数字全息干涉光路中实现。结合光纤延时光路使数字全息干涉光路结构简单，延时时间可实时精确测量。
Description
技术领域
本发明属于数字全息干涉测量技术领域，具体涉及一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置。
背景技术
纳秒尺度快速过程的测量在国防、航天、工业以及医学等领域有着重要的意义。其主要应用包括爆炸过程、冲击波与应力波传播过程、激光烧蚀过程、以及放电过程等的测量。目前，用于记录快速过程的数字全息干涉方法有两种，一是利用高速相机连续记录被测对象的全息图，二是利用脉冲数字全息干涉装置记录待测对象的全息图。在利用高速相机连续记录全息图的方法中，由于测量景深由激光器的相干长度决定，因此可以根据被测量对象的需求改变测量景深。如H.Lycksam等在2012年提出利用高速相机记录黑色液滴在加热过程中的转化特性（High-speedinterferometricmeasurementandvisualizationoftheconversionofablackliquordropletduringlaserheating，Opt.LasersEng.50(11)，1654-1661，2012）。在该方法中，测量装置的时间分辨率由高速相机的采样频率决定。由于目前高速相机的最高采样频率为每秒百万帧级，因此该测量装置的时间分辨率只能达到毫秒量级，不能实现纳秒尺度快速过程的测量。在脉冲数字全息干涉测量装置中，采用飞秒脉冲激光作为光源，并结合角分复用技术，可以将多幅全息图记录在低速相机的一帧中，该光路的时间分辨率可以达到飞秒尺度。如2006年，X.Wang等提出的飞秒脉冲数字全息干涉测量光路（Pulseddigitalholographysystemrecordingultrafastprocessofthefemtosecondorder，Opt.Lett.31(11)，1636-1638，2006）。但是，由于锁模技术中使用的宽频激光介质发出的飞秒脉冲激光含有多个频率，这使得飞秒脉冲激光的相干长度非常短（处于微米量级）。因此，脉冲数字全息干涉光路的测量景深只有微米量级。同时，脉冲数字全息干涉光路是在自由空间搭建，结构复杂且延时时间无法精确保证，只适合在实验室条件下工作。因此，在数字全息干涉光路中同时实现大测量景深和纳秒尺度的时间分辨率是困扰快速过程测量的主要问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，使大测量景深和纳秒尺度的时间分辨率同时在一套数字全息干涉光路中实现。结合光纤延时光路使数字全息干涉光路结构简单，延时时间可实时精确测量。
技术方案
一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于包括连续波光纤输出单模激光器1、光纤耦合外调制器2、第一1×2光纤分束器3、第一延时光纤4、第二延时光纤5、第二1×2光纤分束器6、第三1×2光纤分束器7、2×2光纤分束器8、光电二极管9、示波器10、信号发生器12、扩束准直装置16、成像装置18、分束装置19、图像采集装置20、扩束准直装置22和计算机23；连续波光纤输出单模激光器1通过光纤顺序连接光纤耦合外调制器2和第一1×2光纤分束器3的入射端口a；第一1×2光纤分束器3的出射端口b通过第一延时光纤4与第二1×2光纤分束器6的入射端口d相连，第一1×2光纤分束器3的出射端口c通过第二延时光纤5与第三1×2光纤分束器7的入射端口g相连；第二1×2光纤分束器6的出射端口e与2×2光纤分束器8的入射端口j相连，第三1×2光纤分束器7的出射端口h与2×2光纤分束器8的入射端口k相连，第二1×2光纤分束器6的出射端口f和第三1×2光纤分束器7的出射端口i与光纤夹持调整装置22相连；2×2光纤分束器8的出射端口l与光电二极管9相连；上述连接均通过光纤进行连接；光纤夹持调整装置22将第三1×2光纤分束器7的出射端口i的光路光轴上依次设有第二扩束准直装置22和分束装置19；经过分束装置19后形成两路光路，其中一路的光轴上依次设有成像装置18和第一扩束准直装置16，并与2×2光纤分束器8的出射端口m的光轴相重合，成像装置18和扩束准直装置16之间安置待测样品17；经过分束装置19后形成的另一路的光轴上设有图像采集装置20；信号发生器12的同步触发信号分别输出至光纤耦合外调制器2和图像采集装置20，图像采集装置20与接收第一光束与第二光束干涉和第三光束与第四光束干涉所形成的复合全息图的计算机相连。
所述的连续波光纤输出单模激光器1为连续波光纤输出半导体单模激光器、连续波光纤输出气体单模激光器或连续波光纤输出固体单模激光器。
所述的光纤耦合外调制器2为光纤耦合声光调制器或光纤耦合电光调制器。
所述的光纤耦合外调制器2的应用波段为可见光波段，上升响应时间小于500ns。
所述第一延时光纤4和第二延时光纤5为多根。
所述的第一延时光纤4与第二延时光纤5的长度差要求大于连续波光纤输出激光器1的相干长度。
所述的第一扩束准直装置16和第二扩束准直装置22为复合透镜组、光纤准直器或空间滤波器和透镜组的组合。
所述的成像装置18为望远镜系统、显微物镜、单成像透镜或复合成像透镜组。
所述的分束装置19为固定分光比分光镜或固定分光比分光棱镜。
所述的图像采集装置20为电荷耦合器件CCD或金属氧化物半导体CMOS。
有益效果
本发明提出的一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，有益效果是：（1）本光纤数字全息干涉装置的时间分辨率由光纤耦合外调制器2的上升时间决定，因此，可以根据纳秒尺度快速过程的不同，选择不同的时间分辨率，观测不同时间间隔的瞬变物理现象。同时可以根据不同快速过程中测量景深的要求选择不同相干长度的连续波光纤输出激光器1，使大测量景深和纳秒尺度的时间分辨率同时在一套数字全息干涉光路中实现。（2）选择延时光纤4与延时光纤5之间不同的长度差，就可以得到纳秒尺度快速过程中不同时间间隔的复合全息图，且这一时间间隔可以被精确测量。（3）本光纤数字全息干涉装置具有灵活的扩展性，通过增加延时光纤的数量，从一张复合全息图中可以得到快速过程中多个状态的参数。
附图说明
图1为本发明提出的记录纳秒尺度快速过程的光纤数字全息干涉光路；
其中：1、连续波光纤输出单模激光器（可见光波段）；2、光纤耦合外调制器；3、1×2光纤分束器（入射端口a，出射端口b和c）；4、延时光纤（可见光单模光纤）；5、延时光纤（可见光单模光纤）；6、1×2光纤分束器（入射端口d，出射端口e和f）；7、1×2光纤分束器（入射端口g，出射端口h和i）；8、2×2光纤分束器（入射端口j和k，出射端口l和m）；9、光电二极管；10、示波器；11、可见光单模光纤；12、信号发生器；13、同步触发信号；14、外触发信号；15、同步触发信号；16、扩束准直装置；17、待测样品；18、成像装置；19、分束装置；20、图像采集装置；21、光纤夹持调整装置；22、扩束准直装置；23、计算机。
图2为光纤耦合声光调制器调制连续氦氖激光产生的一个单脉冲氦氖激光。
图3为第一光束和第三光束的延时时间。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
参阅附图1，连续波光纤输出单模激光器1采用相干长度为250mm的光纤输出氦氖激光器；光纤耦合外调制器2采用上升时间为58ns的光纤耦合声光调制器；延时光纤4与延时光纤5的长度差为20.95m；光电二极管9采用上升响应时间为1.8ns的光电二极管；示波器10采用采用频率为2.5Gs/s的示波器；待测样品17采用波长为532nm的脉冲激光烧蚀固体表面而产生冲击波，图像采集装置20采用带有像增强功能的CCD。
连接关系为：连续波光纤输出单模激光器1通过光纤顺序连接光纤耦合外调制器2和第一1×2光纤分束器3的入射端口a；第一1×2光纤分束器3的出射端口b通过第一延时光纤4与第二1×2光纤分束器6的入射端口d相连，第一1×2光纤分束器3的出射端口c通过第二延时光纤5与第三1×2光纤分束器7的入射端口g相连；第二1×2光纤分束器6的出射端口e与2×2光纤分束器8的入射端口j相连，第三1×2光纤分束器7的出射端口h与2×2光纤分束器8的入射端口k相连，第二1×2光纤分束器6的出射端口f和第三1×2光纤分束器7的出射端口i与光纤夹持调整装置22相连；2×2光纤分束器8的出射端口l与光电二极管9相连；上述连接均通过光纤进行连接；光纤夹持调整装置22将第三1×2光纤分束器7的出射端口i的光路光轴上依次设有第二扩束准直装置22和分束装置19；经过分束装置19后形成两路光路，其中一路的光轴上依次设有成像装置18和第一扩束准直装置16，并与2×2光纤分束器8的出射端口m的光轴相重合，成像装置18和扩束准直装置16之间安置待测样品17；经过分束装置19后形成的另一路的光轴上设有图像采集装置20；信号发生器12的同步触发信号分别输出至光纤耦合外调制器2和图像采集装置20，图像采集装置20与接收第一光束与第二光束干涉和第三光束与第四光束干涉所形成的复合全息图的计算机相连。
工作时，用波长为532nm的脉冲激光烧蚀固体表面而产生冲击波时，该脉冲激光器发出一个外触发信号14给信号发生器12，同时信号发生器12对光纤耦合声光调制器发出一个同步触发信号13，光纤耦合声光调制器调制连续氦氖激光产生一个如附图2所示的单脉冲氦氖激光，其脉冲宽度为106ns。单脉冲氦氖激光通过1×2光纤分束器3后被分为两束，这两束脉冲激光不存在时间延时。但它们分别通过延时光纤4和延时光纤5后，就会产生如图3所示的107.6ns的时间延迟。当它们通过1×2光纤分束器6和1×2光纤分束器7后被分为第一、二、三和四光束，第一光束和第三光束进入2×2光纤分束器8，2×2光纤分束器8的出射端口l连接光电二极管9，光电二极管9产生的电信号由示波器10采集和显示，得到如附图3所示的第一光束和第三光束的延时时间。由2×2光纤分束器8的出射端口m出射的第一光束与第三光束依次通过扩束准直装置一16、待测样品17、成像装置18、分束装置19后，分别和通过光纤夹持调整装置21、扩束准直装置22、分束装置19的第二光束与第四光束形成干涉图样。将带有像增强功能的CCD快门开关时间定为250ns，则包含两组干涉条纹的复合全息图被记录。由于采用角分复用，在复合全息图中第一光束与第二光束所形成的干涉条纹方向和第三光束与第四光束所形成的干涉条纹方向不同，通过数字空间滤波，可以分别重建得到光波的相位信息。由于这两组干涉条纹所记录的待测样品状态相差107.6ns，得到的两组相位信息，分别表征了波长为532nm的脉冲激光烧蚀固体表面所产生的冲击波相差107.6ns的两个状态的形态。
在以上实施例过程中，光纤耦合外调制器2的应用波段为可见光波段，上升响应时间小于500ns；延时光纤4与延时光纤5的长度差大于连续波光纤输出激光器1的相干长度；两根延时光纤4和5产生两幅全息图，增加延时光纤的数量可以产生对应数量的全息图，这些全息图可以表征纳秒尺度快速过程中的不同状态；调节外触发信号的延时时间，也可以得到表征纳秒尺度快速过程中不同状态的全息图；光电二极管9上升响应时间需要小于光纤耦合外调制器2的上升响应时间；待测样品17可以采用任意波长脉冲激光在固体进行烧蚀，脉冲激光在固体表面聚焦点的能量密度要求大于固体的损坏阀值。在采用上述条件进行实施测量过程中，产生其他的相似装置或系统与具体实施方式中的实施例一致，仅时间分辨率不同。但是，依然属于纳秒尺度快速过程的测量范畴。
Claims (10)
1.一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于包括连续波光纤输出单模激光器(1)、光纤耦合外调制器(2)、第一1×2光纤分束器(3)、第一延时光纤(4)、第二延时光纤(5)、第二1×2光纤分束器(6)、第三1×2光纤分束器(7)、2×2光纤分束器(8)、光电二极管(9)、示波器(10)、信号发生器(12)、第一扩束准直装置(16)、成像装置(18)、分束装置(19)、图像采集装置(20)、第二扩束准直装置(22)和计算机(23)；连续波光纤输出单模激光器(1)通过光纤顺序连接光纤耦合外调制器(2)和第一1×2光纤分束器(3)的入射端口a；第一1×2光纤分束器(3)的出射端口b通过第一延时光纤(4)与第二1×2光纤分束器(6)的入射端口d相连，第一1×2光纤分束器(3)的出射端口c通过第二延时光纤(5)与第三1×2光纤分束器(7)的入射端口g相连；第二1×2光纤分束器(6)的出射端口e与2×2光纤分束器(8)的入射端口j相连，第三1×2光纤分束器(7)的出射端口h与2×2光纤分束器(8)的入射端口k相连，第二1×2光纤分束器(6)的出射端口f和第三1×2光纤分束器(7)的出射端口i与光纤夹持调整装置(21)相连；2×2光纤分束器(8)的出射端口(l)与光电二极管(9)相连；上述连接均通过光纤进行连接；光纤夹持调整装置(21)将第三1×2光纤分束器(7)的出射端口i的光路光轴上依次设有第二扩束准直装置(22)和分束装置(19)；经过分束装置(19)后形成两路光路，其中一路的光轴上依次设有成像装置(18)和第一扩束准直装置(16)，并与2×2光纤分束器(8)的出射端口m的光轴相重合，成像装置(18)和第一扩束准直装置(16)之间安置待测样品(17)；经过分束装置(19)后形成的另一路的光轴上设有图像采集装置(20)；信号发生器(12)的同步触发信号分别输出至光纤耦合外调制器(2)和图像采集装置(20)，图像采集装置(20)与接收第一光束与第二光束干涉和第三光束与第四光束干涉所形成的复合全息图的计算机相连。
2.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的连续波光纤输出单模激光器(1)为连续波光纤输出半导体单模激光器、连续波光纤输出气体单模激光器或连续波光纤输出固体单模激光器。
3.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的光纤耦合外调制器(2)为光纤耦合声光调制器或光纤耦合电光调制器。
4.根据权利要求1或3所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的光纤耦合外调制器(2)的应用波段为可见光波段，上升响应时间小于500ns。
5.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述第一延时光纤(4)和第二延时光纤(5)为多根。
6.根据权利要求1或5所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的第一延时光纤(4)与第二延时光纤(5)的长度差要求大于连续波光纤输出单模激光器(1)的相干长度。
7.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的第一扩束准直装置(16)和第二扩束准直装置(22)为复合透镜组、光纤准直器或空间滤波器和透镜组的组合。
8.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的成像装置(18)为望远镜系统、显微物镜、单成像透镜或复合成像透镜组。
9.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的分束装置(19)为固定分光比分光镜或固定分光比分光棱镜。
10.根据权利要求1所述测量大景深纳秒尺度快速过程的装置，其特征在于：所述的图像采集装置(20)为电荷耦合器件CCD或金属氧化物半导体CMOS。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410055130.5A CN103822655B (zh) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | 一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410055130.5A CN103822655B (zh) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | 一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103822655A CN103822655A (zh) | 2014-05-28 |
| CN103822655B true CN103822655B (zh) | 2016-04-27 |
Family
ID=50757829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410055130.5A Active CN103822655B (zh) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | 一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103822655B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107655422A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-02-02 | 中国地质大学（武汉） | 纳秒级时间分辨率记录激光剥蚀物动态变化的系统及方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4742577A (en) * | 1986-06-09 | 1988-05-03 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Device and method for signal transmission and optical communications |
| US5777778A (en) * | 1996-01-23 | 1998-07-07 | California Institute Of Technology | Multi-Loop opto-electronic microwave oscillator with a wide tuning range |
| US6785004B2 (en) * | 2000-11-29 | 2004-08-31 | Weatherford/Lamb, Inc. | Method and apparatus for interrogating fiber optic sensors |
| CN101257348B (zh) * | 2008-04-03 | 2012-08-08 | 上海宏勤信息科技有限公司 | 外差式差分光纤干涉系统 |
| CN100552520C (zh) * | 2008-05-05 | 2009-10-21 | 浙江大学 | 一种复用与解调长周期光纤光栅阵列的方法及设备 |
| CN102436168B (zh) * | 2011-09-30 | 2013-10-09 | 深圳大学 | 多通道数字全息成像系统及方法 |
-
2014
- 2014-02-19 CN CN201410055130.5A patent/CN103822655B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103822655A (zh) | 2014-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200378835A1 (en) | High-resolution real-time time-frequency domain measuring device and method for ultra-short pulse | |
| CN105423943B (zh) | 高速三维显微成像系统及方法 | |
| CN103712689A (zh) | 基于光学频率梳的连续激光器光谱线宽测量装置 | |
| CN104199044B (zh) | 一种双模式、超高速运动物体运动速度测量装置及方法 | |
| CN107179132B (zh) | 光纤传像束速度干涉仪及冲击波速度计算方法 | |
| CN103913185A (zh) | 布里渊光纤传感系统及方法 | |
| CN104706322A (zh) | 一种基于光计算的扫频光学相干成像系统 | |
| CN103760568B (zh) | 一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪 | |
| CN108036863B (zh) | 宽量程冲击波速度诊断装置及测量方法 | |
| CN111537477A (zh) | 一种超快时间分辨率和低激发阈值多光子荧光显微成像系统 | |
| CN103292687B (zh) | 激光回馈干涉仪 | |
| CN113008529B (zh) | 一种基于超快激光成像的大口径光学元件测量系统 | |
| CN115235618B (zh) | 一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法 | |
| CN111504612A (zh) | 一种多光源激光损伤阈值的测试装置 | |
| CN108106643A (zh) | 基于光学啁啾链的超快分布式布里渊光学时域分析仪 | |
| CN108279068B (zh) | 基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置 | |
| EP3877724B1 (en) | Method and device for in situ process monitoring | |
| CN101261224A (zh) | 基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法 | |
| CN103822655B (zh) | 一种测量大景深纳秒尺度快速过程的装置 | |
| Xia et al. | TDM interrogation of identical weak FBGs network based on delayed laser pulses differential detection | |
| CN107064539A (zh) | 一种大视场光子多普勒测速装置及方法 | |
| CN102279555B (zh) | 具有空间载频的能够以多色辐射进行成像的干涉仪系统 | |
| CN108760251A (zh) | 一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置 | |
| CN205300777U (zh) | 基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置 | |
| CN204128686U (zh) | 一种全光纤频域干涉仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |