CN108061709A - 一种透明材料冲击动力学参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料冲击动力学参数测量领域，并公开了一种透明材料冲击动力学参数获取方法。该方法包括：(a)建立了平稳冲击波加载下透明薄膜样品的双层薄膜分层模型(b)利用第一性原理，证明了P偏振光以布儒斯特角入射样品时，反射光相位对时间导数的波形呈周期性震荡特性，推导出了震荡特性与冲击动力学参数之间的表达式；(c)采用泵浦探测测试系统测量待测样品的实际震荡周期、实际幅值、和实际震荡偏离值；(d)将获得的测量实际值带入获得的表达式中进而获得实际冲击动力学参数。通过本发明，实现了双层薄膜模型中，使用公式直接提取透明材料冲击动力学参数，该方法使用的测量光路简单，易于实施，数据易于处理。
Description
技术领域
本发明属于材料冲击动力学参数测量领域，更具体地，涉及一种透明材料冲击动力学参数获取方法。
背景技术
研究材料在高压、高应变率等极端条件下的动力学响应特性是材料物理领域的前沿课题，冲击波加载则是在材料内部产生这种极端条件的重要技术手段。当冲击波在材料中传播时，对冲击波和材料响应特性的研究通常需要测量材料的动力学参数，如冲击波速度、波后粒子速度等。此外，冲击波在材料中的渡越过程中引起的材料密度、内部结构变化最终将导致材料总体和局部的光学特性发生变化。为了准确描述冲击波作用下材料响应特性，实现包含冲击作用下材料光学特性变化的动力学参数测量具有十分重要的意义。
在冲击动力学实验中，通常将待测材料制作成薄膜样品进行实验。对于非透明材料，通过对冲击波加载下自由面速度的测量，然后运用相关理论即可推导出冲击动力学参数。而对于透明材料，由于涉及到光的薄膜干涉效应，测量方法一般需要如下步骤：首先建立样品薄膜的理论冲击模型；然后使用频域干涉仪测量探测光经样品反射后偏振态(幅值和相位)的动态变化过程；最后根据测量结果对由样品冲击模型计算的理论结果进行逆向反演，从而提取出冲击波速度、波后粒子速度以及冲击压缩后样品折射率等冲击动力学参数。如2007年，美国Los Alamos国家实验室的S.D.McGrane等人对聚碳酸酯薄膜的冲击动力学参数进行了测量，实验建立了平稳冲击波加载下的透明样品双层薄膜模型，对冲击加载过程中不同探测光(共四束探测光，分别为两个入射角下的P偏振光和S偏振光)经样品反射后的偏振态的动态改变进行了测量，然后将测量结果与理论模型计算结果进行逆向拟合反演提取出了冲击动力学参数。但是该方法光路复杂，实施不易，且平台搭建费用昂贵。2010年，美国Lawrence Livermore国家实验室的Armstrong等人，对金刚石压腔中的预压缩氩进行了冲击动力学测量，实验建立了冲击压缩下的样品单层薄膜模型，通过分析探测光经样品反射后的相位变化的震荡特性，使用第一性原理推导出了冲击动力学参数的计算公式。该方法可以通过公式直接计算出冲击动力学参数，而不需要进行数据的拟合反演，数据处理容易，且光路相对简单，易于实施。但是该方法只适用于单层薄膜样品，而无法用于更普通的双层薄膜模型中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种透明材料冲击动力学参数获取方法，利用推导出P偏振光以布儒斯特角入射样品时，双层薄膜模型中反射光相位变化过程对时间的导数φ′(t)，进而得到了φ′(t)震荡特性(包括震荡周期、幅值、震荡偏离值)与冲击动力学参数(包括冲击波速度、波后粒子速度、冲击压缩后样品折射率)之间的关系式，由此解决冲击波加载下透明材料双层薄膜模型只能通过拟合反演提取动力学参数，而无法使用公式直接计算冲击动力学参数的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选取透明薄膜作为待测样品，建立测试该待测样品的泵浦探测测试系统，其中，所述泵浦探测测试系统的泵浦探测光照射在置于基底上的待测样品上产生平稳冲击波，该平稳冲击波在待测样品薄膜中传播将其划分为未受冲击层和冲击压缩层，并与待测样品所处环境形成的环境层和基底形成的基底层构成四层结构，相邻的两层的交界处有界面，共三个界面，所述泵浦探测测试系统的泵浦探测光为P偏振光，该探测光的入射角为布儒斯特角；
(b)所述探测光被所述三个界面分别反射，各个界面反射光电场之和为总反射光电场Etotal，利用所述三个界面各自的反射系数关系得到所述总反射光的总反射系数的表达式r1、2、3；
根据该总反射系数表达式的特点得到总反射光Etotal的相位φ(t)随时间t的变化及其导数φ′(t)的表达式，由该相位对时间的导数φ′(t)的表达式获得其呈周期性震荡的特性，利用该特性，获取φ′(t)的震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset；
再根据菲涅尔反射定律，推导出冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2关于所述φ′(t)的震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset的表达式；
(c)采用所述泵浦探测测试系统测量所述探测光经待测样品反射后实际相位随时间的变化曲线φ(t)real，对所述φ(t)real对时间求导得到实际φ′(t)real的波形曲线，由该φ′(t)real的波形曲线提取出φ′(t)real的实际震荡周期τreal、实际幅值δ′max real、和实际震荡偏离值offsetreal；
(d)实际震荡周期τreal、实际幅值δ′max real、和实际震荡偏离值offsetreal，带入步骤(c)中获得的所述的冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2的表达式中，由此获得实际的待测样品的实际冲击波速度us-real、实际波后粒子速度up-real和实际冲击压缩层折射率n2-real。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述总反射光电场Etotal优选采用下列表达式，
其中，所述环境层与未受冲击层之间的界面为界面1，所述未受冲击层与冲击压缩层之间的界面为界面2，所述冲击压缩层与所述基底层之间的界面为界面3，界面1、2和3的反射系数分别是r1、r2和r3，δ1、δ2分别是探测光经过未受冲击层和冲击压缩层往返一次的相位改变，E0是探测光入射时的电场。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述三个界面各自的反射系数关系为：r3≈1，r2＜＜r3。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述总反射系数的表达式r1、2、3优选采用下列表达式，
其中，θ1是所述探测光在未受冲击层传播时的入射角，θ2是所述探测光在冲击压缩层传播时的入射角，n1是未受冲击层的折射率，n2是冲击压缩层的折射率，h0是待测样品的厚度，λ是入射探测光的波长。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述总反射光的相位随时间的变化φ(t)优选采用下列表达式，
进一步优选地，在步骤(b)中，震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset优选采用下列表达式，
进一步优选地，在步骤(b)中，所述冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2优选采用下列表达式，
其中，n0是所述环境层的折射率，θ0是探测光入射到界面1处时的布儒斯特角，θ2是光束在冲击压缩层传播时的入射角。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述泵浦探测测试系统中采用频域干涉仪作为探测光的接收装置。
进一步优选地，在步骤(c)中，由所述该φ′(t)real的波形曲线提取出φ′(t)real的实际震荡周期τreal、实际幅值δ′max real、和实际震荡偏离值offsetreal时，优选先对所述φ′(t)real的波形曲线进行正弦或余弦拟合。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述总反射光电场Etotal近似取值为各膜层反射后所有的出射光中能量最高的前三束光的电场之和。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过使用P偏振光布儒斯特角入射的方案，将双层薄膜反射系数的计算等效为单层薄膜反射系数的计算，简化了使用第一性原理进行公式推导的过程，且能够将单层薄膜中φ′(t)特有的周期性震荡特性应用于双层薄膜模型中，实现了透明材料双层薄膜模型冲击动力学参数的直接提取；
2、本发明方法只需要一组反射光相移的测量数据即可使用公式直接计算出双层薄膜模型的冲击动力学参数，相比于现有的拟合反演提取冲击动力学参数的方法，本发明方法数据处理相对容易，使用的测量光路相对简单，且实验测量易于实施。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的透明材料冲击动力学参数获取方法流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的探测光在待测透明薄膜样品冲击波加载下的双层薄膜模型中的光束传播示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品未受冲击层与冲击压缩层膜厚随时间变化曲线；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品实际相位随时间变化曲线φ(t)；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品实际相位求导后随时间变化曲线φ′(t)；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的泵浦探测测试系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的透明材料冲击动力学参数获取方法流程图，如图1所示，该方法具体包含下述过程：
(1)确定测量方案，首先选择泵浦探测的测量方式。根据第一性原理易证明平稳冲击波加载下，单层薄膜反射系数的相移对时间的导数φ′(t)具有周期性震荡特性，但是一般条件下双层薄膜反射系数相移对时间的导数φ′(t)不具有特殊的周期性震荡特性，无法使用公式直接计算冲击动力学参数。考虑到P偏振光在布儒斯特角入射时反射系数为零的特性，此时双层薄膜反射等效为单层薄膜反射，其φ′(t)具有周期性震荡特性，可以使用第一性原理推导冲击动力学参数的计算公式。因此测量方案中，探测光选择为P偏振光，探测光入射角为布儒斯特角，图2是按照本发明的优选实施例所构建的探测光在待测透明薄膜样品冲击波加载下的双层薄膜模型中的光束传播示意图；
原样品为单层透明薄膜，泵浦光照射样品形成平稳冲击波，即冲击波加载，冲击波在样品中传播，所经过的区域样品折射率改变，还没有到达的区域维持原折射率，因而形成了两种不同折射率的双层薄膜结构。
透明薄膜样品覆盖在目标靶材上，样品薄膜初始厚度为h0，平稳冲击波在透明薄膜样品中传播时，冲击波前将样品薄膜分为上下两层，冲击波前未到达的区域为未受冲击层，其厚度和折射率分别用h1和n1表示，冲击波前经过的区域为冲击压缩层，其厚度和折射率分别用h2和n2表示。
(2)建立平稳冲击波加载下透明薄膜样品的双层薄膜模型。具体为：透明薄膜样品覆盖在目标靶材上，样品薄膜初始厚度为h0，平稳冲击波在透明薄膜样品中传播时，冲击波前将样品薄膜分为上下两层，冲击波前未到达的区域为未受冲击层，其厚度和折射率分别用h1和n1表示，冲击波前经过的区域为冲击压缩层，其厚度和折射率分别用h2和n2表示。未受冲击层之上为环境层(通常为空气)，冲击压缩层之下为基底层(即目标靶材，通常为铝膜)，环境层和基底层的折射率分别用n0和ng表示，各膜层界面从上到下依次为界面1、界面2、界面3。双层薄膜模型如图2所示。
(3)结合上述测量方案和双层薄膜模型，使用第一性原理，推导探测光经样品反射后相位的动态变化过程对时间的导数φ′(t)的理论公式，经分析可知，对于平稳冲击波，φ′(t)呈周期性震荡特性，进一步分析可以推导出φ′(t)震荡特性(包括震荡周期、幅值、震荡偏离值)与冲击动力学参数(包括冲击波速度、波后粒子速度、冲击压缩后样品折射率)之间的关系式。上述步骤及公式的具体推导过程如下：
a)菲涅耳公式表明，P偏振光以布儒斯特角入射样品时界面1的反射系数为零，此时光束在双层薄膜内的干涉等效于单层薄膜的情况，由于反射光中前三束光E1、E2、E3已包含了反射光的主要能量，可以近似认为总反射光的电场Etotal等于E1、E2、E3之和，如图2所示。假设界面1、界面2、界面3的反射系数分别为r1、r2、r3，则有：
其中，δ1、δ2分别为光束经过未受冲击层h1和冲击压缩层h2往返一次的相位改变：
其中，θ1和θ2分别为入射光在未受冲击层h1和冲击压缩层h2中的入射角，us、up分别为冲击波速度和波后粒子速度。(假设冲击波开始于t＝0，且为平稳冲击波)。
b)通常情况下，n1、n2差别较小，故r2较小，所以可以近似认为1-r2 2＝1，则反射光总光场近似为：
因为r3≈1，且r2＜＜r3，式(7)中的相位可以近似为周期性函数。假设震荡周期为τ，则总反射系数可以写为：
其中，
c)由公式(8)可得探测光经样品反射后，相位的动态变化过程φ(t)为：
将φ(t)对时间t求导可得：
由公式(11)可以看出φ′(t)具有周期性震荡特性，φ′(t)的震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset分别为：
由公式(12b)可得：
布儒斯特角下θ0+θ1＝90°，则根据菲涅耳反射定律可知：
即：
进而，根据菲涅耳公式sin(θ2)＝(n0n2)·sin(θ0)可以推导出：
则由式(12a)、(12c)可以求得冲击波速度us和波后粒子速度up分别为：
图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品未受冲击层与冲击压缩层膜厚随时间变化曲线，图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品实际相位随时间变化曲线φ(t)，图5是按照本发明的优选实施例所构建的测量待测样品实际相位求导后随时间变化曲线φ′(t)，如图3～5所示，是P偏振光布儒斯特角入射下，反射光相移φ(t)及其对时间的导数φ′(t)的仿真波形图，可以看出φ′(t)呈周期性震荡特性，根据φ′(t)的波形提取了其震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset，结合上述推导的理论公式(16a)、(16b)、(16c)计算出了冲击动力学参数n2、us、up，计算结果与仿真设置参数相同，证明了上述公式的正确性。
(4)对待测透明薄膜样品进行实验测量。图6是按照本发明的优选实施例所构建的泵浦探测测试系统结构示意图，如图6所示是探测光经样品反射后反射系数相位变化过程φ(t)real的测量系统。该系统由使用啁啾脉冲为激光光源，由分束镜分为能量不同的两束光，其中能量较大的一束作为泵浦光，照射在样品上产生平稳冲击波；能量较小的一束光再次通过分束器分为能量相同的两束光，一束作为探测光对冲击波加载过程进行探测，一束作为参考光不经过样品，使用频域干涉仪记录探测光和参考光的频域干涉图，经过数据处理可提取出反射光反射系数的相位变化过程φ(t)real。具体测量方式如下：采用泵浦探测的测量方式，探测光为P偏振光并以布儒斯特角照射在样品上。使用频域干涉仪作为探测光的接收装置，对平稳冲击波加载下的透明薄膜样品进行测量，数据处理后可以得到探测光经样品反射后相位动态变化过程φ(t)real，然后将φ(t)real对时间求导得到φ′(t)real，进而使用正弦或余弦拟合的方式，由φ′(t)real的波形曲线提取出φ′(t)real震荡周期τreal、幅值δ′max real、和震荡偏离值offsetreal。
(5)将步骤(4)中提取出的测量结果，即φ′(t)real的震荡周期τreal、幅值δ′max real、和震荡偏离值offsetreal，带入步骤(3)推导的震荡特性与冲击动力学参数之间的关系式(13)-(16)中，即可计算得到待测透明材料的冲击波速度us-real、波后粒子速度up-real、冲击压缩后样品折射率n2-real等冲击动力学参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选取透明薄膜作为待测样品，建立测试该待测样品的泵浦探测测试系统，其中，所述泵浦探测测试系统的泵浦探测光照射在置于基底上的待测样品上产生平稳冲击波，该平稳冲击波在待测样品薄膜中传播将其划分为未受冲击层和冲击压缩层，并与待测样品所处环境形成的环境层和基底形成的基底层构成四层结构，相邻的两层的交界处有界面，共三个界面，所述泵浦探测测试系统的泵浦探测光为P偏振光，该探测光的入射角为布儒斯特角；
(b)所述探测光被所述三个界面分别反射，各个界面反射光电场之和为总反射光电场Etotal，利用所述三个界面各自的反射系数关系得到所述总反射光的总反射系数的表达式r1、2、3；
根据该总反射系数表达式的特点得到总反射光Etotal的相位φ(t)随时间t的变化及其导数φ′(t)的表达式，由该相位对时间的导数φ′(t)的表达式获得其呈周期性震荡的特性，利用该特性，获取φ′(t)的震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset；
再根据菲涅尔反射定律，推导出冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2关于所述φ′(t)的震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset的表达式；
(c)采用所述泵浦探测测试系统测量所述探测光经待测样品反射后实际相位随时间的变化曲线φ(t)real，对所述φ(t)real对时间求导得到实际φ′(t)real的波形曲线，由该φ′(t)real的波形曲线提取出φ′(t)real的实际震荡周期τreal、实际幅值δ′maxreal、和实际震荡偏离值offsetreal；
(d)实际震荡周期τreal、实际幅值δ′maxreal、和实际震荡偏离值offsetreal，带入步骤(c)中获得的所述的冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2的表达式中，由此获得实际的待测样品的实际冲击波速度us-real、实际波后粒子速度up-real和实际冲击压缩层折射率n2-real。
2.如权利要求1所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述总反射光电场Etotal优选采用下列表达式，
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其中，所述环境层与未受冲击层之间的界面为界面1，所述未受冲击层与冲击压缩层之间的界面为界面2，所述冲击压缩层与所述基底层之间的界面为界面3，界面1、2和3的反射系数分别是r1、r2和r3，δ1、δ2分别是探测光经过未受冲击层和冲击压缩层往返一次的相位改变，E0是探测光入射时的电场。
3.如权利要求1或2所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述三个界面各自的反射系数关系为：r3≈1，r2＜＜r3。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述总反射系数的表达式r1、2、3优选采用下列表达式，
<mfenced open = "{" close = "">
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其中，θ1是所述探测光在未受冲击层传播时的入射角，θ2是所述探测光在冲击压缩层传播时的入射角，n1是未受冲击层的折射率，n2是冲击压缩层的折射率，h0是待测样品的厚度，λ是入射探测光的波长。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述总反射光的相位随时间的变化φ(t)优选采用下列表达式，
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6.如权利要求1-5任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，震荡周期τ、幅值δ′max、和震荡偏离值offset优选采用下列表达式，
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7.如权利要求1-6任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述冲击波速度us、波后粒子速度up和冲击压缩层折射率n2优选采用下列表达式，
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其中，n0是所述环境层的折射率，θ0是探测光入射到界面1处时的布儒斯特角，θ2是光束在冲击压缩层传播时的入射角。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述泵浦探测测试系统中采用频域干涉仪作为探测光的接收装置。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(c)中，由所述该φ′(t)real的波形曲线提取出φ′(t)real的实际震荡周期τreal、实际幅值δ′maxreal、和实际震荡偏离值offsetreal时，优选先对所述φ′(t)real的波形曲线进行正弦或余弦拟合。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种透明材料冲击动力学参数获取方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述总反射光电场Etotal近似取值为各膜层反射后所有的出射光中能量最高的前三束光的电场之和。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711323981.3A CN108061709B (zh) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | 一种透明材料冲击动力学参数获取方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109945981A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-06-28 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种表征中z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法 |
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| CN103091251A (zh) * | 2013-01-14 | 2013-05-08 | 温州大学 | 基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法 |
| CN105158165A (zh) * | 2015-06-26 | 2015-12-16 | 华中科技大学 | 一种超快椭偏仪装置和测量方法 |
| CN106908867A (zh) * | 2017-02-20 | 2017-06-30 | 温州大学 | 一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法 |
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2017
- 2017-12-13 CN CN201711323981.3A patent/CN108061709B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| CN109945981A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-06-28 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种表征中z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法 |
| CN109945981B (zh) * | 2019-04-25 | 2024-01-26 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种表征中z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法 |
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