超快脉冲激光干涉技术及其在冲击动力学过程诊断中的应用

摘要

脉冲激光频域干涉技术是近10年以来国外发展起来的一种新型非接触式激光干涉测试技术，具有飞秒量级的时间分辨力和亚纳米量级的位移分辨力，结合泵浦-探测实验方法，可实现超快过程中物理参数的测量，是获得材料在飞秒或皮秒脉冲激光加载下动力学参数随时间变化历史的重要方法，目前美国、英国、法国和日本等国家的人已经建立了脉冲激光频域干涉技术。研制该技术的重要意义在于发展材料在超快脉冲激光加载下响应特性的测量手段，促进超快动力学物理机制的研究，对高能密度物理和武器物理研究具有重要的现实意义和应用前景。
　　为了推动脉冲激光频域干涉技术在国内的发展和完善，使我国也具备测量飞秒脉冲激光与材料相互作用过程中冲击动力学参数的能力，本论文不但深入研究了脉冲激光频域干涉技术，可用于测量材料在平面分布冲击波或中心对称分布冲击波作用下的冲击波速度和波后粒子速度剖面，而且还研究了可测量材料在非中心对称分布冲击波作用下波后粒子速度剖面的超快显微干涉技术，对这两种技术的工作原理、设计方法、数据处理方法、调试方法和实验方法均进行了详细的分析。主要工作内容及创新点归纳如下:
　　1、根据日本东京大学E.Tokunaga等人对频域干涉现象的诠释，本文对频域干涉技术的工作原理进行了深入细致的研究，得到了频域干涉的基本条件为:T＜dsinθ/c
　　式中，T为参与频域干涉的两脉冲传输时间差，d为光谱仪的光栅常数，c为真空中光速，θ为光谱仪中特征谱线的衍射角。基于时域干涉原理和频域干涉条件，对频域干涉信号特征进行了详细分析，得到了频域干涉仪输出信号的数学表达式为:I(f)=I0(f)[1+R+24√Rcos(2πfT-φ)]
　　式中，f为光波频率，T为参与频域干涉的两脉冲传输时间差，φ为参与频域干涉的两脉冲传输相位差，R为参与频域干涉的两脉冲光强比值，I0(f)为脉冲激光器的光谱分布函数，I(f)为频域干涉信号的光谱分布函数。
　　2、根据Michelson干涉仪的数据处理方法和频域干涉信号的数学表达式，对频域干涉技术的数据分析方法进行了深入研究，研究发现可以采用变量代换一等间隔插值一反傅立叶变换一数字滤波的计算步骤得到频域干涉仪测量的传输相位差，另外可采用变量代换一等间隔插值一数据扩展一反傅立叶变换一数字滤波的计算步骤得到频域干涉仪测量的传输时间差，如果不考虑被测物体表面光学折射率的变化，频域干涉仪测量的传输时间差或传输相位差与被测物体运动位移的关系为:s=Tc/2=λφ/4π
　　式中，s为被测物体的运动位移，T为参与频域干涉的两脉冲传输时间差，φ为参与频域干涉的两脉冲传输相位差，λ为脉冲激光器的工作波长。分析结论表明通过计算频域干涉仪测量的传输时间差或传输相位差均可得到待测物体的运动位移历史，其区别在于传输相位差的计算精度较高，但要根据边界条件判断传输相位差是否存在π相位突变，采用传输相位差的计算方法并结合频域干涉仪的设计方法，本文研制的频域干涉仪时间测量精度优于0.001fs，位移分辨力高于0.1nm。
　　3、通过对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理的分析，提出了采用探测脉冲垂直入射被测物体表面的方式设计频域干涉仪的泵浦一探测实验光路，改进了国外探测脉冲斜入射被测物体表面的方法，并设计了新型飞秒脉冲激光频域干涉仪，与英国R.Evans等人设计的干涉仪相比，新型脉冲激光频域干涉仪具有结构简单、调试方便等优点，不但可测量金属膜在飞秒脉冲激光作用下的运动速度剖面，而且还可直接测量冲击波速度。
　　4、对频域干涉仪的输出信号进行了数值模拟，研究发现:参与频域干涉的两脉冲之间的传输时间差T越小，则频域干涉条纹越稀;而时间延迟T越大，则频域干涉条纹越密，即频域干涉仪输出的条纹数目与两脉冲之间的传输时间差紧密相关，根据这种结论提出了泵浦一探测实验中泵浦脉冲和探测脉冲的同步方法，理论同步精度高于脉冲激光器脉宽，并设计了光路延迟器单步长延迟时间的标定方法。
　　5、设计了光谱模式频域干涉仪和影像模式频域干涉仪，并提出了具体的调试方法，采用光谱模式频域干涉仪测量了200nm厚度铝膜在功率密度为1011W/cm2量级的飞秒脉冲激光作用下的纵波声速，实验测量数据表明具有高时空分辨力的频域干涉仪可用于探测脉冲激光作用材料诱导的超声波的波速;采用光谱模式频域干涉仪和影像模式频域干涉仪测量了200nm厚度铝膜在功率密度为1014W/cm2量级的飞秒脉冲激光作用下的冲击波速度、波后粒子速度和铝膜表面形貌变化历史，测量结果表明实测的冲击波速度和波后粒子速度满足铝材料的Hügoniot关系式。
　　6、基于美国K.T.Gahagan等人对超快显微干涉技术的报道和球面波的干涉场理论，对超快显微干涉技术的工作原理、设计方法和数据处理方法进行了深入研究，提出了采用等倾干涉条纹数据分析方法处理超快显微干涉仪实验数据的思路。通过对飞秒脉冲激光超快显微干涉仪实验信号的理论分析和数值模拟，揭示了导致飞秒超快显微干涉场条纹对比度衰减的重要原因是飞秒脉冲激光器的线宽较宽。
　　7、设计了一种紧凑性全光纤位移干涉仪，该干涉仪可采用Φ2.5或Φ1.25光纤探头测量金属膜在皮秒脉冲激光作用下的运动位移/速度历史，其测量结果不仅为超快显微干涉仪的实验参数设置提供依据，而且为超快显微干涉仪测量结果的可信度提供判据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 激光速度干涉仪VISAR

1．2．2 全光纤激光位移干涉仪DISAR

1．2．3 脉冲激光频域干涉仪

1．2．4 脉冲激光显微干涉仪

1．3 本文研究内容

1．4 小结

参考文献

第二章 脉冲激光频域干涉技术及其应用

2．1 脉冲激光频域干涉技术基本原理与验证

2．1．1 频域干涉现象的理论分析

2．1．2 频域干涉现象的数值模拟

2．1．3 频域干涉现象理论分析结论的实验验证

2．1．4 小结

2．2 频域干涉仪的构建与调试

2．2．1 频域干涉仪的设计依据

2．2．2 频域干涉仪的设计

2．2．3 聚焦光斑尺寸的选取

2．2．4 频域干涉仪的调试

2．2．5 小结

2．3 频域干涉技术的数据处理方法与验证

2．3．1 光谱模式频域干涉技术的数据处理

2．3．2 影像模式频域干涉技术的数据处理

2．3．3 小结

2．4 飞秒脉冲激光频域干涉测试技术的实验研究

2．4．1 光路延迟器的单步长标定方法

2．4．2 光谱模式频域干涉仪的实验研究

2．4．3 影像模式频域干涉仪的实验研究

2．4．4 小结

参考文献

第三章 脉冲激光显微干涉技术及其应用

3．1 超快显微干涉技术基本工作原理及干涉条纹形式选取方法

3．2 超快显微干涉仪的构建与调试

3．2．1 超快显微干涉仪的设计要求

3．2．2 超快显微干涉仪的设计

3．2．3 超快显微干涉仪的调试

3．2．4 小结

3．3 超快显微干涉仪的数据处理方法

3．3．1 等倾干涉条纹的数据处理依据

3．3．2 圆环形条纹的数据处理

3．3．3 圆弧形条纹的数据处理

3．3．4 小结

3．4 超快显微干涉测试技术的实验研究

3．4．1 主要实验参数设置方法

3．4．2 皮秒脉冲超快显微干涉技术的实验研究

3．4．3 飞秒脉冲超快显微干涉技术的实验研究

3．4．4 小结

参考文献

第四章 全文总结

4．1 本文研究成果

4．2 创新点

4．3 不足之处

致谢

攻读博士学位期间发表的论文、获奖情况及申请的专利