一种超快时间分辨速度干涉仪的设计和理论研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)060703一种超快时间分辨速度干涉仪的设计和理论研究冰范伟)2)谷渝秋1)2)t朱斌2)税敏2)单连强2)杜赛2)辛建婷2)赵宗清2)周维民2)曹磊峰2)张学如)王玉晓)}1)(哈尔滨工业大学物理系，哈尔滨150001)2)(中国工程物理研究院激光聚变研究中心，等离子体物理重点实验室，绵阳621900)(2013年l1月4日收到；2013年l1月27日收到修改稿)在单发、超快时间分辨的测量技术中，线性啁啾脉冲和光谱仪的结合使用是一种常见方法．本文以成像型光谱仪为记录系统，利用

2、线性啁啾脉冲的频一时对应关系，设计了一种应用于自由面速度超快测量的速度干涉仪．理论研究了其工作原理和适用范围该速度干涉仪可以实现皮秒量级的时间分辨，且速度灵敏度可调、易调，大大拓宽了速度干涉仪的应用范围．数值模拟了系统的测速过程，结果表明，重建速度信号与给定物体速度符合得很好，进一步验证了系统的可行性．关键词：任意反射面速度干涉仪，拍频干涉啁啾脉冲，时间分辨PACS：07．60．Ly)42．15．EqDOI：10．7498／aps．63．060703其时间分辨能力主要受限于条纹相机，因此，达到了皮秒时间分辨的水平．1998年，Celliers等

3、[]1引言又利用条纹相机的空间分辨能力通过在VISAR研究强冲击波作用下的材料动力学性能是材中引入成像系统，构造了成像型VISAR，并在测料物理领域的热点问题之一．采用强激光驱动冲量激光驱动冲击波的实验中，同时实现了皮秒时击加载是开展相关实验研究的一种重要方法，通间分辨和亚微米的一维空间分辨．此后，这些技过测量材料中的冲击波速度和粒子速度，有助于术被广泛应用在与冲击波传播相关的物理实验当推导材料的应力一应变状态和建立物质性态的理论中，如高压状态方程实验[s，6j、材料动力学性能实模型[1]．其中，粒子速度的测量常采用自由面速验[7-10]以及惯

4、性约束聚变中的冲击波时序调控实度法，一种主要诊断设备是任意反射面的速度干验等[11j12]涉仪(VISAR)[21．vISAR最早由Barker和Hollen—作为记录系统，条纹相机影响着VISAR的时bach[3J于1972年建立，它被用来代替速度干涉仪间分辨能力．然而，其昂贵的价格使系统的建造成对冲击样品表面的运动速度剖面等进行测量，由本居高不下．为了改善这种状况，本文设计了一种于受到光电倍增管一示波器记录系统的制约，当时超快时间分辨速度干涉仪，其记录系统为成像型光VISAR的时间分辨只能做到纳秒量级满足不了人谱仪．因该速度干涉仪使用线性啁

5、啾脉冲作为探针们在许多现象上的观测要求．1983年，Bloomquist光，又可称为啁啾脉冲速度干涉仪．通过对啁啾脉和Shefield[2]对VISAR的光路进行改动，并以电冲速度干涉仪的测量原理进行理论研究，给出了系子条纹相机代替光电倍增管一示波器记录系统，改统的适用测速范围、时间分辨能力及其他系统特性．造后的系统被称为光学记录速度干涉仪fORVIS)，最后，数值模拟了速度干涉仪的测速过程，以验证国家自然科学基金(批准号：10902101)资助的课题十通讯作者．E—mail：yqguQcaep．ac．cn±通讯作者．E—mail：wangyx

6、@hit．edu．CD_◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．hy．ac．cn060703—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)060703其可行性真空中传播，且沿表面法线方向入射到待测物体表面．考虑到初始位相差的空间分布，拍频干涉信号2啁啾脉冲速度干涉仪沿探测器记录面方向的强度分布为2．1速度干涉仪原理。s[2C(V-V1)+2W考虑一束激光脉冲通过马赫一曾德尔干涉仪后，-Cxsin()]l，产生一对同轴传输且具有延迟时间差的脉冲，如式中，f爵】+，)／

7、2为直流背景，沿方向是缓变图1(a)所示．令它们的电场分布为的；余弦函数项为交流信号项，它使方向的光E1=E01cos(wt+01)，强分布呈周期性条纹状．具体来说，固有位相差E2=2cos[~(t—T)+o2】，(1)2wxsin(a1／c产生了方向上的周期性条纹，对应式中，1和2分别是两束脉冲的振幅，是它们的条纹周期为△=／sin(a)1；由运动物体速的圆频率，01和02是场点相应的初始位相．当此度变化引起的附加位相差2w(v2一u】)t／c，则使周脉冲对先后被运动物体反射并被探测器接收时，根期性条纹随时间发生移动，移动变化率为据多普勒原理

8、，探测器接收到的光波频率将发生变化．若光脉冲被反射时的物体速度分别为】，u2，探测器接收到的相应光频为(5)1+2nU1c。s()如果使用具有时间分辨