CN206740252U - 光纤传像束速度干涉仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤传像束速度干涉仪，包括成像模块、光纤传像束、干涉模块一和干涉模块二；探针激光经成像模块聚焦于靶面并反射回激光脉冲信号，该激光脉冲信号经成像模块成像于光纤传像束的输入端，激光脉冲信号由光纤传像束一分为四，其中两个激光脉冲信号经干涉模块一后在条纹相机一上成像，另外两个激光脉冲信号经干涉模块二后在条纹相机二上成像。采用本实用新型提供的光纤传像束速度干涉仪，能够获取较大连续范围的冲击波速度，光路调节简单，不受实验场地和空间的限制，实验成本低、效率高。

Description

光纤传像束速度干涉仪

技术领域

本实用新型属于激光测量技术领域，具体涉及一种光纤传像束速度干涉仪。

背景技术

冲击波诊断实验常用于测量样品冲击特性、状态方程等，在激光聚变研究中还用于激光调束，以增强内爆效率。在冲击波诊断实验中，需要使用任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector，缩写为VISAR)测量冲击样品中的冲击波速度。

VISAR的技术特点在于：探针激光打在样品的冲击波界面上反射被收集，由于光学多普勒效应，返回的信息光携带着冲击波界面运动信息。利用延时差频技术，将信息光分束再合束，产生干涉条纹并在成像设备上记录。最后通过相应的图像处理技术解析出加载冲击的样品速度信息。由于实验条件或研究目的的不同，VISAR已发展出多种形式，主要包括两大类：一类是以透镜成像为基础的线VISAR和面VISAR技术，另一类是不含透镜的全光纤VISAR技术。透镜成像下的VISAR技术的优点在于能同时测量比较大的连续范围的冲击波速度；而全光纤VISAR技术的优点在于不需要对光路进行繁复的调节，并且不受实验场地空间限制，实验成本低。

随着信息通讯技术的高速发展，光纤得到极大的发展。光纤领域中，单模光纤在传导光束时不存在模式色散等问题，因此可以较好的保持原来输入光的特性，而且光纤一分二甚至一分多的技术十分成熟。即入口的输入光可以被单模光纤自身分为两份或者多份光束，且各光束之间仍然保持时间空间相干性。多个此类的光纤联合在一起便可实现像的传播与分束。

为了增强冲击波诊断实验效率，现在需要设计出一种新的光纤传像束速度干涉仪，能够将透镜和光纤两种导光模式联合起来，并同时具备二者的优点(能够获取较大连续范围的冲击波速度，不需要对光路进行繁复的调节，不受实验场地空间限制，实验成本低)。更为重要的是，现在需要一种方法，能够通过光纤传像束速度干涉仪获取的信息解析出加载冲击波的样品速度信息，即得到冲击波速度。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种光纤传像束速度干涉仪，其能够获取较大连续范围的冲击波速度，光路调节简单，不受实验场地和空间的限制，实验成本低、效率高。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种光纤传像束速度干涉仪，其要点在于：包括成像模块、光纤传像束、干涉模块一和干涉模块二；探针激光经成像模块聚焦于靶面并反射回激光脉冲信号，该激光脉冲信号经成像模块成像于光纤传像束的输入端，激光脉冲信号由光纤传像束一分为四，其中两个激光脉冲信号经干涉模块一后在条纹相机一上成像，另外两个激光脉冲信号经干涉模块二后在条纹相机二上成像。

采用以上结构，在条纹相机一和条纹相机二上成的像均具有差频干涉条纹，能够读取各自的驻波数变化值以及各自的两个激光脉冲信号到达时间差，能够将干涉模块一和干涉模块二设置到远离靶室的位置，既能够方便地对光路进行调试，又为激光聚变诊断实验平台节省了空间，方便其他诊断工作的进行，不受实验场地空间限制，实验成本低、效率高，而且能够获取较大连续范围的冲击波速度。

作为优选：所述成像模块包括准直透镜一、准直透镜二、会聚透镜、分束镜和收光透镜；探针激光依次经准直透镜二、会聚透镜、分束镜、准直透镜一和收光透镜后聚焦于靶面并反射回激光脉冲信号，该激光脉冲信号依次经收光透镜、准直透镜和分束镜后成像于光纤传像束的输入端。采用以上结构，分束镜、会聚透镜和准直透镜二位于靶室附近，收光透镜和准直透镜一位于靶室内，使成像模块结构紧凑，进一步为激光聚变诊断实验平台节省了空间。

作为优选：所述光纤传像束包括单模光纤束干路和均与该单模光纤束干路连通的单模光纤束支路一、单模光纤束支路二、单模光纤束支路三和单模光纤束支路四；由靶面反射回的激光脉冲信号成像于单模光纤束干路的输入端，单模光纤束支路一和单模光纤束支路二出射的激光脉冲信号均射入干涉模块一，单模光纤束支路三和单模光纤束支路四出射的激光脉冲信号均射入干涉模块二。采用以上结构，单模光纤束干路可以做的很长，而且自身可弯曲，能够将光路引到距离靶室较远的位置，大大提高了光路调试的便捷性；并且，通过单模光纤束支路一、单模光纤束支路二、单模光纤束支路三和单模光纤束支路四将激光脉冲信号(成像信息)一分为四，并形成差频效应。

作为优选：所述干涉模块一包括准直透镜三、准直透镜四、标准具一、反射镜一、合束镜一和成像透镜一；由单模光纤束支路一入射的激光脉冲信号依次经准直透镜三和标准具一后射向合束镜一，由单模光纤束支路二入射的激光脉冲信号依次经准直透镜四和反射镜一后射向合束镜一，合束镜一对标准具一和反射镜一入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜一向外出射。采用以上结构，带有差频信息的激光脉冲信号经干涉模块一能够使在条纹相机一上所成的像具有干涉条纹，并根据干涉条纹等信息计算出冲击波速度。

作为优选：所述干涉模块二包括准直透镜五、准直透镜六、标准具二、反射镜二、合束镜二和成像透镜二；由单模光纤束支路四入射的激光脉冲信号依次经准直透镜六和标准具二后射向合束镜二，由单模光纤束支路三入射的激光脉冲信号依次经准直透镜五和反射镜二后射向合束镜二，合束镜二对标准具二和反射镜二入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜二向外出射。采用以上结构，带有差频信息的激光脉冲信号经干涉模块一能够使在条纹相机二上所成的像具有干涉条纹，并根据干涉条纹等信息计算出冲击波速度。

作为优选：所述标准具一的长度大于或者小于标准具二的长度。采用以上结构，形成双灵敏度测量，完成差频干涉图样的采集。

作为优选：所述单模光纤束支路一的长度大于或者小于单模光纤束支路二的长度。采用以上结构，以便于形成传像光路的长度差，形成差频效应。

作为优选：所述单模光纤束支路三的长度大于或者小于单模光纤束支路四的长度。采用以上结构，以便于形成传像光路的长度差，形成差频效应。

作为优选：所述成像模块还包括挡光板，探针激光依次经准直透镜二和会聚透镜后射向分束镜，由分束镜分成两束，其中一束探针激光射向准直透镜一，另一束探针激光射向挡光板。采用以上结构，通过挡光板能够有效防止探针激光向外出射。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

采用本实用新型提供的光纤传像束速度干涉仪，能够获取较大连续范围的冲击波速度，光路调节简单，不受实验场地和空间的限制，实验成本低、效率高。

附图说明

图1为本实用新型光纤传像束速度干涉仪的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种光纤传像束速度干涉仪，所述光纤传像束速度干涉仪包括成像模块、光纤传像束、干涉模块一和干涉模块二，光源8发出的探针激光经成像模块聚焦于靶面1，并从靶面1携带冲击波界面运动信息的激光脉冲信号，该激光脉冲信号经成像模块成像于光纤传像束的输入端，激光脉冲信号由光纤传像束一分为四，其中两个携带冲击波界面运动信息和差频信息的激光脉冲信号进入干涉模块一，最终在条纹相机一17上形成具有干涉条纹的像，能够读取驻波数的变化值F₁(t)以及两个激光脉冲信号到达时间差τ₁₀，另外两个携带冲击波界面运动信息和差频信息激光脉冲信号进入干涉模块二，最终在条纹相机二25上形成具有干涉条纹的像，能够读取驻波数的变化值F₂(t)以及两个激光脉冲信号到达时间差τ₃₀。

请参见图1，所述成像模块包括准直透镜一3、准直透镜二7、会聚透镜6、分束镜5、收光透镜2和挡光板4。

请参见图1，所述光纤传像束包括单模光纤束干路9和均与该单模光纤束干路9连通的单模光纤束支路一10、单模光纤束支路二12、单模光纤束支路三18和单模光纤束支路四21，为了形成差频效应，单模光纤束支路一10的长度大于或者小于单模光纤束支路二12的长度，单模光纤束支路三18的长度大于或者小于单模光纤束支路四21的长度，并且，单模光纤束支路一10与单模光纤束支路二12的长度差同单模光纤束支路三18与单模光纤束支路四21的长度差不一样，需要设定为实际需要的特定值。

请参见图1，所述干涉模块一包括准直透镜三11、准直透镜四13、标准具一26、反射镜一14、合束镜一15和成像透镜一16；所述干涉模块二包括准直透镜五19、准直透镜六22、标准具二27、反射镜二20、合束镜二23和成像透镜二24；其中，标准具一26的长度大于或者小于标准具二27的长度，使标准具一26和标准具二27对激光脉冲信号形成不同的延时，进而形成双灵敏度测量，完成差频干涉图样的采集。

光源8发出的探针激光由准直透镜二7准直后，再由会聚透镜6聚焦并射向分束镜5，探针激光被分束镜5分成两束，其中一束被挡光板4阻挡，另外一束由准直透镜一3再次准直后经收光透镜2会聚到靶面1，从靶面1反射回的激光脉冲信号携带冲击波界面运动信息，并被收光透镜2收集，再经准直透镜3投射到分束镜5上，分束镜5将一部分激光脉冲信号向会聚透镜6反射，另一部分透射，透射的激光脉冲信号在单模光纤束干路9输入端成像，成像的激光脉冲信号被单模光纤束传输并分光，分别进入单模光纤束支路一10、单模光纤束支路二12、单模光纤束支路三18和单模光纤束支路四21，并各自的输出端成像。其中，单模光纤束支路一10和单模光纤束支路二12出射的激光脉冲信号进入干涉模块一，单模光纤束支路三18和单模光纤束支路四21出射的激光脉冲信号进入干涉模块二。

具体地说，由单模光纤束支路一10入射的激光脉冲信号依次经准直透镜三11和标准具一26后射向合束镜一15，由单模光纤束支路二12入射的激光脉冲信号依次经准直透镜四13和反射镜一14后射向合束镜一15，合束镜一15对标准具一26和反射镜一14入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜一16聚焦后向条纹相机一17出射，在条纹相机一17上所成的像具有干涉条纹，并根据干涉条纹等信息计算出冲击波速度。

由单模光纤束支路四1入射的激光脉冲信号依次经准直透镜六22和标准具二27后射向合束镜二23，由单模光纤束支路三18入射的激光脉冲信号依次经准直透镜五19和反射镜二20后射向合束镜二23，合束镜二23对标准具二27和反射镜二20入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜二24聚焦后向条纹相机二25出射，在条纹相机二25上所成的像具有干涉条纹，并根据干涉条纹等信息计算出冲击波速度。

整个光路相比全光纤VISAR虽然略显复杂，但是比原来的成像型VISAR光路简单得多，调试起来更加方便。继承了成像型VISAR和全光纤VISAR各自的优点，并且，光路实现简单，易于调试，不受靶场空间限制，适用于各种冲击波加载实验的诊断研究和高能量密度物理状态方程的研究。

一种基于光纤传像束速度干涉仪的冲击波速度计算方法，包括以下步骤：

S1：由光源8向光纤传像束速度干涉仪发射波长为λ的一短脉冲探针激光，利用条纹相机一17记录从干涉模块一出射的两个激光脉冲信号到达时间差τ₁₀以及干涉条纹图像的驻波数变化值F₁(t)，利用条纹相机二25记录从干涉模块二各出射的两个激光脉冲信号到达时间差τ₃₀以及干涉条纹图像的驻波数变化值F₂(t)；

S2：由光源8向光纤传像束速度干涉仪发射波长为λ的一短脉冲探针激光，利用条纹相机一17从单模光纤束支路一10和单模光纤束支路二12出射的激光脉冲信号到达时间差τ₂₀，利用条纹相机二25记录从单模光纤束支路三18和单模光纤束支路四21出射的激光脉冲信号到达时间差τ₄₀；

S3：计算得到冲击波速度u(t)，具体步骤包括：

S31：由条纹相机记录的激光脉冲信号因差频干涉引起的驻波数变化值F(t)满足：

式(1)中c为光速，λ为探针激光的波长，τ₁为条纹相机记录到的从干涉模块出射的两个激光脉冲信号的到达时间差；

根据光学多普勒效应公式将其代入式(1)得：

S32：从干涉模块出射的两个激光脉冲信号的到达时间差τ₁满足：

式(3)中，n为光纤和标准具的折射率，l₁为向干涉模块发射激光脉冲信号的两个单模光纤束支路的光纤长度差，l₂为干涉模块的两个成像光路的长度差，h₁为标准具的长度，

对式(3)做微分变换，得：

S33：将式(3)和式(4)代入式(2)，得：

S33：由于条纹相机记录的两个单模光纤束支路出射的激光脉冲信号到达时间差将其代入式(5)得：

S34：由于其中一个激光脉冲信号经标准具延时τ_a＝nh₁/c，将其代入式(6)，得到冲击波速度u(t)计算公式：

式(7)中，折射率n和折射率色散值均为光纤和标准具的出厂信息，标准具延时τ_a为标准具的出厂信息，驻波数变化值F(t)通过读取条纹相机记录的干涉条纹图像。

对于条纹相机一17，τ₁＝τ₁₀，τ₂＝τ₂₀，F(t)＝F₁(t)，标准具一延时为τ_a1，则：

对于条纹相机而25，τ₁＝τ₃₀，τ₂＝τ₄₀，F(t)＝F₂(t)，标准具二延时为τ_a2，则：

由计算公式(8)和(9)，形成双精度的冲击波速度检测。

并且，由于能够方便地更换标准具一26和标准具二27，光纤传像束速度干涉仪可以十分方便的更改或选择灵敏度，使得一次装调过后能够测量的动态范围变大。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：包括成像模块、光纤传像束、干涉模块一和干涉模块二；

探针激光经成像模块聚焦于靶面并反射回激光脉冲信号，该激光脉冲信号经成像模块成像于光纤传像束的输入端，激光脉冲信号由光纤传像束一分为四，其中两个激光脉冲信号经干涉模块一后在条纹相机一上成像，另外两个激光脉冲信号经干涉模块二后在条纹相机二上成像。

2.根据权利要求1所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述成像模块包括准直透镜一、准直透镜二、会聚透镜、分束镜和收光透镜；

探针激光依次经准直透镜二、会聚透镜、分束镜、准直透镜一和收光透镜后聚焦于靶面并反射回激光脉冲信号，该激光脉冲信号依次经收光透镜、准直透镜和分束镜后成像于光纤传像束的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述光纤传像束包括单模光纤束干路和均与该单模光纤束干路连通的单模光纤束支路一、单模光纤束支路二、单模光纤束支路三和单模光纤束支路四；

由靶面反射回的激光脉冲信号成像于单模光纤束干路的输入端，单模光纤束支路一和单模光纤束支路二出射的激光脉冲信号均射入干涉模块一，单模光纤束支路三和单模光纤束支路四出射的激光脉冲信号均射入干涉模块二。

4.根据权利要求3所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述干涉模块一包括准直透镜三、准直透镜四、标准具一、反射镜一、合束镜一和成像透镜一；

由单模光纤束支路一入射的激光脉冲信号依次经准直透镜三和标准具一后射向合束镜一，由单模光纤束支路二入射的激光脉冲信号依次经准直透镜四和反射镜一后射向合束镜一，合束镜一对标准具一和反射镜一入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜一向外出射。

5.根据权利要求4所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述干涉模块二包括准直透镜五、准直透镜六、标准具二、反射镜二、合束镜二和成像透镜二；

由单模光纤束支路四入射的激光脉冲信号依次经准直透镜六和标准具二后射向合束镜二，由单模光纤束支路三入射的激光脉冲信号依次经准直透镜五和反射镜二后射向合束镜二，合束镜二对标准具二和反射镜二入射的激光脉冲信号进行合束，合束后的激光脉冲信号经成像透镜二向外出射。

6.根据权利要求5所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述标准具一的长度大于或者小于标准具二的长度。

7.根据权利要求3所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述单模光纤束支路一的长度大于或者小于单模光纤束支路二的长度。

8.根据权利要求3所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述单模光纤束支路三的长度大于或者小于单模光纤束支路四的长度。

9.根据权利要求2所述的光纤传像束速度干涉仪，其特征在于：所述成像模块还包括挡光板，探针激光依次经准直透镜二和会聚透镜后射向分束镜，由分束镜分成两束，其中一束探针激光射向准直透镜一，另一束探针激光射向挡光板。