一種掃描頻域干涉儀的制作方法

一種掃描頻域干涉儀的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種掃描頻域干涉儀，所述的干涉儀含有寬帶脈沖、脈沖展寬器、部分反射鏡、分束片、被測樣品、平面反射鏡、光譜儀和條紋相機。所述脈沖展寬器將寬帶脈沖展寬為線性啁啾脈沖，所述線性啁啾脈沖通過光學振蕩腔產生一個等時間間隔的脈沖序列，所述光學振蕩腔由兩塊部分反射鏡構成；所述分束片、平面反射鏡和被測樣品表面構成不等臂邁克爾遜干涉儀；所述光譜儀和條紋相機分別用來色散啁啾脈沖和記錄頻譜干涉條紋。本發明掃描頻域干涉儀可以在單發實驗內測量大時間尺度的物理量變化歷史，測量具有高時間分辨的特點。本發明的掃描頻域干涉儀的特點表明其將可以用作持續時間長、特征位置變化快的物理量測試系統。
【專利說明】 一種掃描頻域干涉儀

【技術領域】
[0001]本發明屬于超快光學測試技術，具體涉及一種掃描頻域干涉儀。

【背景技術】
[0002]研究強沖擊波作用下的材料動力學性能，是材料物理領域的熱點問題之一。通過測量被沖擊材料中的沖擊波速度和粒子速度，有助于推導材料的應力-應變狀態和檢驗物質性態的理論模型(激光干涉測速技術，國防工業出版社，胡紹樓)。其中，粒子速度的測量通常采用自由面速度法，常用的診斷設備有任意反射面的速度干涉儀(VISAR)、超快顯微干涉儀、頻域干涉儀(FDI)和啁啾脈沖頻域干涉儀(CPSI)等測試系統。
[0003]VISAR 一般應用在長脈沖激光驅動沖擊波的測量實驗中，其診斷物理量的時間尺度在ns量級，但時間分辨能力通常在數十ps的水平上(Line-1maging velocimeterfor shock diagnostics at the OMEGA laser facility, Rev.Sc1.1nstrum.，P.M.Celliersj D.K.Bradley, G.W.Collins, D.G.Hicks, T.R.Boehly and W.J.Armstixmg)，如果物理量在某些特定位置的變化較快，測試結果將不能反映變化的細節。相對而言，超快顯微干涉儀和FDI屬于超快測量技術，能反映fs時間尺度的物理量變化，是測量飛秒激光驅動沖擊波的常見方法，不過，兩者都屬于離散式點測試技術，在測量一定時間范圍內的物理量變化時，需要進行大量的實驗發次，因此對實驗條件的重復性要求較高(Single-shot measurement of temporal phase shifts by frequency-domainholography, Opt.Lett., S.P.Le Blanc, E.ff.Gaul, N.H.Matlis, A.Rundquist,and M.C.Downer)。
[0004]CPSI是指首先將一束寬帶脈沖展寬為線性啁啾脈沖，然后通過不等臂邁克爾遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀產生具有一定延遲時間差的兩束脈沖，最后它們(至少一束傳播加載上被測信號)以共軸傳輸的方式進入光譜儀，在記錄系統中形成頻譜干涉條紋，通過對條紋解譜可得隨時間變化的被測信號。CPSI是在FDI基礎上發展出的一種單發實驗測量技術，它利用線性啁啾脈沖的啁啾特性，實現了高時間分辨和連續測試的有機結合(Single-shot chirped-pulse spectral interferometry used to measure thefemtosecond 1nizat1n dynamics of air, Opt.Lett., C.Y.Chien, B.La Fontaine,A.Desparois, Z.Jiang, T.ff.Johnston, J.C.Kieffer, H.epin, and F.Vidal),從而可以對快速變化的物理量(如激光驅動沖擊波上升沿)實施有效測量。遺憾的是，CPSI的單發測量時間尺度和時間分辨能力之間是一種相互制約的關系，當單發測量的時間尺度增加時，相應的時間分辨能力將出現下降，這對于持續時間長、特征位置變化快的物理量測試，仍需多發實驗才能完成。


【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種掃描頻域干涉儀，應用于持續時間長、特征位置變化快的物理量測試。本發明的掃描頻域干涉儀，同時具有大量程和高時間分辨的測試特點，對物理量變化歷史的測量均在單發實驗內完成，避免了實驗條件變化對測試結果產生的影響。
[0006]為達到上述目的，本發明提供了如下技術方案:
本發明的掃描頻域干涉儀，包括:
寬帶脈沖、脈沖展寬器、部分反射鏡、分束片、被測樣品、平面反射鏡、光譜儀和條紋相機。
[0007]光束的傳輸過程是，一束寬帶脈沖首先通過脈沖展寬器，然后依次垂直入射到兩塊部分反射鏡上，其中，部分反射鏡I的反射光沿原路返回，透射光則垂直入射到部分反射鏡II上，部分反射鏡II的反射光在兩塊部分反射鏡構成的振蕩腔內振蕩傳輸，透射光則在傳播通過分束片時分為透射脈沖和反射脈沖，透射和反射脈沖分別垂直入射到平面反射鏡上和被測樣品表面，被垂直反射后，兩束脈沖第二次通過分束片時實現同軸合束，然后依次進入光譜儀和條紋相機。
[0008]上述技術方案中，所述寬帶脈沖為飛秒激光脈沖或超連續脈沖，脈沖帶寬不小于10 nm。
[0009]可選地，所述脈沖展寬器為光柵展寬器、色散玻璃或其它光學色散元件中的一種。
[0010]所述脈沖展寬器將寬帶脈沖展寬為線性啁啾脈沖，線性啁啾脈沖為脈沖頻率隨時間線性變化的脈沖；改變脈沖展寬器的參數，可以實現對所述線性啁啾脈沖脈寬的調節。
[0011]所述部分反射鏡1、部分反射鏡II的反射率和透射率分別為90%，10%。
[0012]所述部分反射鏡I和部分反射鏡II構成一個光學振蕩腔；從光學振蕩腔的一端垂直輸入一個脈沖，另一端則共軸輸出一個脈沖序列；脈沖序列中相鄰脈沖的光程差等于光學振蕩腔腔長的兩倍，即脈沖序列中相鄰脈沖的時間間隔等于光在振蕩腔內往返一次所用的時間，因此，改變部分反射鏡I和部分反射鏡II之間的相對距離，可以實現脈沖序列中相鄰脈沖間隔的調節。
[0013]所述分束片的分光比為1:1，分束片、平面反射鏡與被測樣品表面一起構成不等臂邁克爾遜干涉儀；當一個脈沖序列輸入不等臂邁克爾遜干涉儀，輸出為具有固定延遲時間差且共軸傳輸的兩個脈沖序列，它們的能量之和是輸入脈沖序列能量的一半，另一半能量返回輸入脈沖序列的入射方向，沒有被利用，其中，經歷被測樣品表面的脈沖序列為探測光，經歷平面反射鏡的脈沖序列為參考光。
[0014]所述光譜儀和條紋相機的作用分別是色散進入其中的光學脈沖和記錄產生的頻譜干涉條紋；頻譜干涉條紋由參考光和探測光之間的頻域干涉產生，干涉條紋方向平行于光譜儀的光譜軸和條紋相機的空間坐標軸，此外，干涉條紋沿條紋相機的時間軸方向以一定的間隔周期性出現，間隔代表的時間長度等于脈沖序列中的相鄰脈沖間隔；使用數據處理程序對頻譜干涉條紋進行解譜，可得被測樣品表面的運動速度；系統測量的最小時間分辨為，式中，為寬帶脈沖的傅里葉變換極限脈寬，為線性啁啾脈沖的脈寬，系統的測試量程等于條紋相機的記錄時間范圍。
[0015]本發明的目的是這樣實現的，一束寬帶脈沖通過脈沖展寬器展寬為線性啁啾脈沖；由部分反射鏡I和部分反射鏡II構成一個光學振蕩腔，線性啁啾脈沖從一端(部分反射鏡I 一側)進入其中，光學振蕩腔的另一端(部分反射鏡II一側)輸出一個等間隔的啁啾脈沖序列；分束片、平面反射鏡和被測樣品表面構成不等臂邁克爾遜干涉儀，啁啾脈沖序列由分束片導入不等臂邁克爾遜干涉儀，輸出為具有固定延遲時間差且共軸傳輸的兩個啁啾脈沖序列，分別為參考光和探測光，其中，當樣品表面因樣品被沖擊而運動時，依據多普勒原理，被其反射的探測光束將帶有運動信息；當兩個啁啾脈沖序列繼續傳播進入光譜儀后，被其色散，然后由條紋相機記錄下兩脈沖序列之間形成的頻譜干涉條紋，頻譜干涉條紋沿條紋相機的時間軸方向以一定的間隔周期性出現；通過對頻譜干涉條紋進行解譜，可得樣品表面在大時間尺度范圍內的高時間分辨速度變化歷史。
[0016]與現有的任意反射面的速度干涉儀(VISAR)或啁啾脈沖頻域干涉儀(CPSI)相比，上述技術方案具有以下優點:
1、本發明的掃描頻域干涉儀，相對于VISAR，可以對特征位置變化快的物理量進行有效測量。
[0017]2、本發明的掃描頻域干涉儀，相對于CPSI，可以通過單發實驗測量更寬時間范圍內的物理量變化歷史。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例1中的掃描頻域干涉儀工作原理圖；
圖2為本發明實施例2中皮秒激光驅動沖擊波自由面速度測量的掃描頻域干涉儀工作原理圖。
[0019]其中:1.寬帶脈沖 2.脈沖展寬器 3.部分反射鏡I 4.部分反射鏡II 5.被測樣品 6.分束片I 7.平面反射鏡I 8.光譜儀 9.條紋相機 10.飛秒激光器 11.分束片II 12.光柵展寬器 13.平面反射鏡
II14.平面反射鏡III 15.平面反射鏡IV 16.平面反射鏡V 17.平面反射鏡VI 18.透鏡 19.平面反射鏡νπ。

【具體實施方式】
[0020]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0021]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發明還可以采用不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0022]實施例1
圖1所示，本發明的一種掃描頻域干涉儀，外圍設備超連續脈沖激光器輸出寬光譜范圍400?2000 nm的超連續脈沖，通過外圍光學元件帶通濾光片后，超連續脈沖被濾成中心波長800 nm、帶寬40 nm的寬帶脈沖I ;利用脈沖展寬器2將寬帶脈沖展寬為線性啁啾脈沖，啁啾脈沖的脈寬為200 ps。線性啁啾脈沖垂直入射到部分反射鏡I 3上，其中，90%的入射光沿原路返回，剩余10%則透射過去；當透射光束垂直入射到部分反射鏡II 4上時，10%透射出去，成為啁啾脈沖序列中的第一個脈沖，剩余90%被垂直反射后在部分反射鏡I 3和部分反射鏡II 4構成的光學振蕩腔內振蕩傳輸；光學振蕩腔的腔長為30 Cm,啁啾脈沖在振蕩傳輸過程中，每次經過部分反射鏡II 4，便有10%的能量透射出去，依次成為脈沖序列中的后續脈沖，因此啁啾脈沖序列中相鄰脈沖之間的傳輸時間差等于脈沖在振蕩腔內往返一次的時間即2 ns。分束片I 6、平面反射鏡I 7和被測樣品5表面一起構成不等臂邁克爾遜干涉儀，其中被測樣品5表面充當邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡；光學振蕩腔輸出的啁啾脈沖序列向前傳輸過程中，由分束片I 6導入不等臂邁克爾遜干涉儀，相應的輸出為具有固定延遲時間差3 ps且共軸傳輸的兩個脈沖序列，其中經歷被測樣品5表面的脈沖序列為探測光，經歷平面反射鏡I 7的脈沖序列為參考光；當被測樣品5表面具有一定的運動速度時，跟據多普勒原理，探測光束將帶有運動信息。最后，兩個啁啾脈沖序列傳輸進入光譜儀8，被色散后，由條紋相機9記錄產生的頻譜干涉條紋；通過對頻譜干涉條紋進行解譜，可得樣品表面在周期性時間區間(周期2 ns,時間區間200 ps)內高時間分辨(?2.2 ps)的速度變化歷史。事實上，適當地設置線性啁啾脈沖脈寬、光學振蕩腔的腔長和條紋相機的采樣時間，這些周期性的測量時間區間可以實現部分重疊。
[0023]以上對本發明的掃描頻域干涉儀的光路排布進行了詳細的描述，為了更好的理解本發明的測量原理，以下將對本發明掃描頻域干涉儀的具體測速過程加以詳細介紹。
[0024]假設高斯型入射寬帶脈沖中心波長800 nm、帶寬40 nm (相應傅里葉變換極限脈寬fs);被脈沖展寬器展寬為線性啁啾脈沖后，脈寬ps;令光學振蕩腔的腔長為30 cm，線性啁啾脈沖輸入振蕩腔后，輸出是一個時間上的脈沖序列，相鄰脈沖間隔為2 ns ;線性啁啾脈沖序列由分束片進入不等臂邁克爾遜干涉儀，被分束片分成兩束，其中探測光(反射部分)垂直入射到被測樣品表面，如果被測樣品表面正在以一定的速度運動，根據多普勒原理，被其反射的探測光相位(相對被測樣品表面未運動時)將發生變化；不等臂邁克爾遜干涉儀輸出的參考光和探測光具有一定的延遲時間差(假設3 ps),當它們先后進入光譜儀時，參考光脈沖序列和探測光脈沖序列中的對應脈沖(時間上相差3 ps)之間將發生頻域干涉。由于條紋相機(具有時間掃描功能)耦合在光譜儀上作為最終的記錄設備，記錄的數據圖像由多套相互平行的頻譜干涉條紋構成，詳細地，頻譜條紋方向平行于條紋相機的空間軸，在條紋相機的時間軸方向上，相鄰兩套條紋處于平行狀態且間隔2 ns。相對于樣品表面未運動時記錄的靜態條紋，此刻記錄的頻譜干涉條紋將存在移動，通過數據處理可以求出條紋移動對應的探測光相位變化，進一步利用多普勒相移公式即可求得樣品表面速度。由于探測光是一個線性啁啾脈沖序列(脈寬200 ps，相鄰脈沖間隔2 ns)，根據單幅數據圖像得到的樣品表面速度史對應著周期性的時間區間，即得到的是樣品表面速度在周期性時間區間內(周期2 ns，區間200 ps)的變化歷史，而周期性時間區間內的測量具有高時間分辨(ps)的特點。
[0025]至此完成了此實施例的掃描頻域干涉儀。
[0026]實施例2
本實施例中的寬帶脈沖為飛秒激光脈沖。在測量皮秒激光驅動沖擊波卸載時的樣品自由面速度時，使用飛秒激光器作為掃描頻域干涉儀的寬帶脈沖光源是較為便利的。飛秒激光器10輸出的飛秒激光脈沖被分束片11分為兩束。其中反射光束首先通過光柵展寬器12展寬為皮秒脈沖，作為泵浦驅動光束使用；在通過平面反射鏡13、平面反射鏡14、平面反射鏡15和平面反射鏡16構成的延遲光路后，泵浦光被平面反射鏡17反射，并被凸透鏡18聚焦在被測樣品5前表面，從而在樣品材料中驅動沖擊波；當沖擊波傳播到樣品后表面進行卸載時，后表面開始運動。另一束透過分束片11的飛秒激光脈沖，在被平面反射鏡19反射后，用作掃描頻域干涉儀的入射寬帶脈沖，如圖2所示。
[0027]以上所述，僅是本發明的可選實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。
[0028]雖然本發明已以可選實施例披露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍。
【權利要求】
1.一種掃描頻域干涉儀，其特征在于，所述的干涉儀包括:寬帶脈沖、脈沖展寬器、部分反射鏡、分束片、被測樣品、平面反射鏡、光譜儀和條紋相機；所述的干涉儀光束的傳輸過程是，一束寬帶脈沖(I)首先通過脈沖展寬器(2)，然后依次垂直入射到部分反射鏡I (3)和部分反射鏡II (4)上，其中，部分反射鏡I (3)的反射光沿原路返回，透射光則垂直入射到部分反射鏡II (4)上，部分反射鏡II (4)的反射光在兩塊部分反射鏡構成的光學振蕩腔內振蕩傳輸，透射光則在傳播通過分束片(6)時分為兩束脈沖即透射脈沖和反射脈沖，透射脈沖和反射脈沖分別垂直入射到平面反射鏡(7)上和被測樣品(5)表面，被垂直反射后，兩束脈沖第二次通過分束片(6)時實現同軸合束，然后依次進入光譜儀(8)和條紋相機(9)。
2.根據權利要求1所述的掃描頻域干涉儀，其特征在于，所述的寬帶脈沖為飛秒激光脈沖或超連續脈沖，脈沖帶寬大于1 nm。
3.根據權利要求1所述的掃描頻域干涉儀，其特征在于，所述的脈沖展寬器為光柵展寬器、色散玻璃或其它光學色散元件中的一種。
4.根據權利要求1所述的掃描頻域干涉儀，其特征在于，所述的部分反射鏡I(3)、部分反射鏡II (4)的反射率和透射率分別為90%，10%。
【文檔編號】G01N3/06GK104345168SQ201410619078
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】谷渝秋, 范偉, 吳玉遲, 朱斌, 董克攻, 稅敏, 韓丹 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心