用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪.pdfVIP

第 22卷第 1O期 强 激 光 与 粒 子 束 VolI22，NO．10 2010年 1O月 HIGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAMS Oct．，2010 文章编号 ： 1001—4322(2010)10—2281—04 用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪 刘寿先， 李泽仁， 彭其先， 陈光华， 刘 俊， 蒙建华， 袁树云 (中国工程物理研究院 流体物理研究所 ，四川I绵阳 621900) 摘 要 ： 设计并建立 了一套完整的线成像激光干涉测速系统 ，用于激光驱动技术 中小尺寸飞片或样品一 条线上所有点的速度测量 。它将激光压缩为线状照射到靶面 ，用成像物镜收集靶面 的漫反射光并传递到广角 迈克尔逊干涉腔中形成干涉 ，产生的梳妆干涉条纹作为信号载体 ，用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化 ， 用不 同位置的条纹移动量反推 出不 同位置的速度分布 ，实现空间分辨 。系统具有 5Ops响应 时间和 20ffm空 间分辨能力 。用该系统测量 了激光驱动飞片的速度场 ，清晰 的扫描干涉 图像直观显示 了飞片的运动过程和各 点的速度差异 。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理 ，得到了靶面一条线 的速度和位移分布。 关键词 ： 激光干涉测速 ； 冲击波诊断； 线成像速度干涉仪 ； 激光驱动 中图分类号 ： 0436．1 文献标志码 ： A doi：lO．3788／HPLP2281 激光驱动强冲击波是材料高压状态方程实验研究的主要手段之一。激光驱动的飞片或样品的尺寸在几百 m至几 mm之间，冲击波与飞片或样品的作用时间在几百 ps至几百ns之间。为了实现强冲击波时空不均匀 性诊断，台阶靶或楔形靶状态方程实验的冲击波速度和粒子速度测量，以及强冲击波 Rayleigh—Taylor不稳定 性的形成与增长过程研 究，需要对冲击波进行高 时空分辨 的诊 断。传 统 的离散多点激光干涉测速技术如 VISARE ，Fabry—Perot[和光纤位移干涉仪l3由于前置探 头尺寸的限制 ，空间分辨能力只能达到 130p．m，已 无法满足诊断需求 ，因此必须采用新 的技术方法。 目前 ，比较成功 的速度场时空分辨测量技术是美 国Sandia 国家实验室的Troot和 IawrenceLivemore国家实验室的 Celliers的线成像 ORVISl4j，以及华盛顿州立大学 Robinson的光学延迟线成像 VISAR[6]。这些技术用光学成像方式实现 了 ffm 量级的空间分辨 ，同时，用变像 管扫描相机取代光电倍增管等探测器来作为记录设备 ，实现 ps量级的时间分辨。本文借鉴 国外相关技术，设 计并建立了一套线成像激光干涉测速系统 ，将它用于激光驱动冲击波的高时空分辨诊断。 l 系统原理及结构 线成像激光干涉测速技术基于任意反射面速度干涉仪 (VISAR)Eli和光学记录速度干涉仪 (ORVIS)E7；。 离散多点VISAR用透镜收集靶面的漫反射光并耦合到光纤中，光纤传递信号光到干涉腔中干涉 ，干涉信号 由 光电倍增管来记录。而在线成像激光干涉测速技术 中，激光被压缩成一条细线照射到待测物体表面 ，待测物体 的运动会导致漫反射光产生多普勒频移 ，成像物镜用来收集漫反射光，并且使靶面和相机狭缝面成一一对应的 物像共轭关系 ，漫反射光 由成像物镜收集后 ，传递至广角迈克尔逊干涉腔，并在狭缝面上干涉形成梳妆条纹。 用变像管扫描相机记录干涉条纹各点光强随时间的变化 ，进而得 到扫描图像 。照 明线 上各点多普勒频移不一 致，导致各点条纹的移动量也不一致 ，通过对干涉条纹 图像进行数据处理 ，可 以得到各点的多普勒频移 (相位) 随时间变化的过程 ，进而可得到各点速度随时间变化的过程为 (f，)一 F (1) 厶丌 式中：声是某点的相位 ；F是干涉腔 的条纹常数 ；t是时间； 是空间位置 。 成像方式和变像管扫描相机的应用 ，使得线成像激光干涉测速技术相对 于离散多点测量技术具备