專利名稱：全波剖面測試系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于沖擊波物理和爆轟物理研究領域，研究沖擊波作用下各種材料的應力-應變特性。具體涉及一種激光干涉系統，用于測試沖擊波在加載樣品中傳播、卸載、再加載，引起自由面和內部粒子速度快速變化的過程，即所謂波剖面變化過程。
背景技術：
沖擊波物理和爆轟物理實驗研究中，伴隨沖擊波在試驗樣品中加載、卸載和再加載過程，會在樣品內部和表面(稱為自由面)引起劇烈地速度變化，在納秒量級時間內，從靜止狀態變為幾百米每秒至幾千米每秒，并表現為不斷變化的加減速過程。測試這一過程，稱為波剖面測試技術，用來了解材料在沖擊波作用下應力-應變的力學特性，是研究各種材料在高溫高壓等極端條件下性能變化的主要手段。不僅在軍工領域，而且在材料科學、天體物理及地球物理等領域都有應用前景。
此前主要發展了兩種波剖面測試技術，即激光干涉位移測試儀和激光干涉速度測試儀技術，簡稱位移干涉儀和速度干涉儀。兩者都取得了大量的成果，但兩者都有其局限性。
位移干涉儀的原理是用一束激光在待測樣品表面(或用加窗技術形成的內部界面)反射，因多普勒效應產生頻移，使返回干涉儀的光帶有運動信息，和儀器內的本機激光(原頻率光)產生差拍干涉，輸出頻率為vs(t)的拍頻信號vs(t)＝2u(t)/λ0…………………………(1)式中，u(t)是t時刻樣品自由面速度，λ0是原始激光波長。拍頻信號由光電轉換-記錄系統(一般由光電倍增管和示波器組成)記錄。到t時刻記錄到的正弦波數，稱為條紋數F(t)，和此時刻樣品自由面位移S(t)之間的關系為S(t)=λ02F(t)---(2)]]>位移干涉儀可以精確地表現微位移-時間關系。但是，位移干涉儀的信號頻率和自由面速度成正比，速度千米每秒時、頻率達到千兆赫量級，對光電轉換-記錄系統提出很高的要求，或者說，位移干涉儀-般只用于自由面速度較低情況。另外，波剖面以速度-時間曲線表示，這需要微分(2)式獲得。為了降低不確定度，Δt取值不能太小，這和波剖面測試有很大矛盾，因為在波剖面的一些區段，速度雖有變化，但持續時間極短，采用微分方法表現不出來，或者偏差很大，因此，位移干涉儀往往會失去波剖面速度的一些細節變化。
速度干涉儀的原理是用一束激光在樣品表面反射，帶有運動信息的激光返回干涉儀，在儀器內分為兩束，運行不同時間后再疊加干涉，即兩光束有一段相對延遲時間τ，相當于帶有不同時刻運動信息的光在儀器內產生差拍干涉，輸出的信號頻率vu(t)=2λ0[u(t)-u(t-τ)]---(3)]]>
到t時刻，示波器上記錄的條紋數F(t)和此時刻樣品速度的關系為u(t)=λ02τF(t)---(4)]]>速度干涉儀可在很大速度范圍內測試波剖面變化過程。但是，其信號頻率和樣品在τ時間內的速度變化成正比，在沖擊波作用下，樣品自由面會在極短時間內產生很大的速度變化，光電轉換-記錄系統的頻率響應可能跟不上信號頻率變化。例如λ0＝532nm，全系統頻率響應500MHz的速度干涉儀，被測樣品在τ時間內的變化限定在133m/s。因此，速度干涉儀測試波剖面常有丟條紋現象，雖然可用補加整數條紋的方法找回答案，但也會引入歧義解。
發明內容
針對現有測量儀器進行剖面測試時會失去波剖面的細節變化和速度變化太快會丟條紋的缺點，本發明提供一種全波剖面測試系統。采用本發明可以得到較為完全的波剖面變化曲線。
本發明的一種全波剖面測試系統，其特點是含有大芯徑光纖分束器，光纖環行器和光束分離系統，并由它們把位移干涉儀，速度干涉儀和測試探頭連接起來形成完整的測試系統。測試系統可以把固體激光器輸出的532nm激光，以及光纖激光器輸出的1550nm紅外激光同時引向被測試樣品，又接收從樣品漫反射的、帶有運動信息的返回光(稱為信號光)送回位移干涉儀和速度干涉儀，得到較為完全的波剖面變化曲線。
本發明的一種全波剖面測試系統連接關系是，光纖激光器與光纖環行器一端的兩個端口之一相連接，光纖環行器另一端與大芯徑光纖分束器一端相連接。固體激光器輸出光束經過光束分離系統后，進入光纖，再與大芯徑光纖分束器相連接，大芯徑光纖分束器另一端與傳輸到實驗段的光纖連接，并經探頭把兩種激光引向被測試樣品。回波信號光又由大芯徑光纖分束器的兩個端口分別送入位移干涉儀和速度干涉儀。
本發明的一種全波剖面測試系統采用具有光隔離作用的光纖環行器。來自光纖激光器的激光由光纖環行器一端的兩端口之一進入，另一端輸出，而返回的信號光直接進入位移干涉儀，不會分光返回光纖激光器。與采用1×2光纖耦合器的類似系統相比較，采用光纖環行器可以使返回位移干涉儀的信號光強度增加近一倍。并且沒有回光信號返回到光纖激光器影響其工作。
本發明的一種全波剖面測試系統含有一個光束分離系統，由反射鏡、帶孔反射鏡和透鏡系統組成，固體激光器輸出的532nm激光由反射鏡轉折，經小透鏡并穿過帶孔反射鏡的小孔成像在光纖端面上，經大芯徑光纖分束器送到被測樣品。光纖端面要磨成斜角，使端面反射的非信號光偏離反射鏡，不進入速度干涉儀。而從被測樣品返回的信號光從光纖端面輸出，按其數值孔徑發散，再經過帶孔反射鏡和大透鏡成象在速度干涉儀的輸入端口上，引入速度干涉儀。
本發明的一種全波剖面測試系統中的大芯徑光纖分束器由芯徑幾百微米的光纖組成，用于傳輸532nm和1550nm兩種激光，并把位移干涉儀和速度干涉儀連接成一個系統。為防止光纖連接處的端面菲涅爾反射光返回干涉儀降低信噪比，光纖連接處的端面磨成斜面。出光纖環行器端口的光纖采用芯徑9μm，數值孔徑0.11的單模光纖，它與大芯徑光纖分束器的光纖采用標準的FC/APC方式連接，端面斜角8°。出光束分離系統的光纖是大芯徑光纖，數值孔徑大于0.11，與大芯徑光纖分束器的光纖連接時，不能采用標準FC/APC方式，需要按照大芯徑光纖的數值孔徑重新設定斜角，成為異型FC/APC連接方式。使端面菲涅爾反射光再進入光纖時，從光纖泄露而不能返回干涉儀。
本發明的一種全波剖面測試系統，其中位移干涉儀采用1550nm光纖激光器，也可采用1310nm光纖激光器。速度干涉儀采用的532nm固體激光器，也可采用輸出514.5nm的氬離子激光器。
本發明的一種全波剖面測試系統，用兩種干涉儀同時測試波剖面，在波剖面測試中測試結果兩者互補，位移干涉儀重點監測速度較低，但變化較快的起始階段。速度干涉儀重點監測高位速度下的變化，并顯示速度快速變化的拐點，而又由位移干涉儀給出拐點處的真實速度值。兩種干涉儀測試結果互相補充和校對，得到較為完全的波剖面變化曲線。
圖1為本發明的全波剖面測試系統結構示意框圖。
具體實施例方式
圖1所示，本發明的全波剖面測試系統，包括位移干涉儀、速度干涉儀、光纖環行器、大芯徑光纖分束器以及光束分離系統。位移干涉儀采用光纖激光器，速度干涉儀采用固體激光器，外圍設備包括光電轉換記錄系統和探頭。全波剖面測試系統中的光束分離系統含有反射鏡，小透鏡，帶孔反射鏡和大透鏡。固體激光器輸出的532nm激光經反射鏡轉折，由小透鏡會聚并穿過帶孔反射鏡中心小孔，成象在光纖7端面上。中心小孔為直徑約2～3mm喇叭孔，與反射鏡表面成45°角。激光進入光纖7端面后，經過異型FC/APC連接器、大芯徑光纖分束器和探頭，照明被測樣品，又經樣品漫反射、探頭收集漫反射的信號光，進入光纖，并逆向經過大芯徑光纖分束器分成兩束，分別引入位移干涉儀和速度干涉儀。但進入位移干涉儀的532nm光被位移干涉儀中的光纖濾波器濾掉。進入速度干涉儀的1550nm光被速度干涉儀中的窄帶濾光片濾掉。信號光從光纖7發散出射，發散角等于2倍數值孔徑角，又經帶孔反射鏡轉折(中心小孔損失約2％～3％能量)，由大透鏡會聚成象，從速度干涉儀的端口8引入速度干涉儀。光纖7端面磨成12°斜角，以免來自光纖分束系統的入射光從端面反射直接進入速度干涉儀，降低信噪比。
全波剖面測試系統中的大芯徑光纖分束器，由600μm，NA＝0.22光纖組成，芯徑570μm。從大芯徑光纖分束器的端口4接出的尾纖和光纖環行器的端口3接出的尾纖(芯徑9μm，單模光纖)以標準FC/APC方式連接，兩光纖端面斜角8°。從大芯徑光纖分束器的端口5接出的尾纖和光纖7端面接出的光纖用異型FC/APC方式連接，兩光纖端面斜角12°。從大芯徑光纖分束器端口6接出的尾纖和傳向探頭的光纖也用端面斜角12°的異型FC/APC方式連接。
全波剖面測試系統中的光纖環行器，結構類似于1×2光纖耦合器，但激光器在內部單向運行。由光纖環行器的端口1進入，光纖環行器的端口3輸出。被測面返回的信號光，經光纖環行器的端口3后，從光纖環行器的端口2輸出，而不會分光從光纖環形行的端口1輸出。所以，和1×2光纖耦合器相比，返回的信號光不會進入位移干涉儀的光纖激光器光源影響其工作。同時使返回位移干涉儀的有效信號光強度加倍。
權利要求
1.一種全波剖面測試系統，其特征在于所述系統包括位移干涉儀、速度干涉儀、用來分離位移干涉儀中輸出激光和返回信號光的光纖環行器、大芯徑光纖分束器、光束分離器，以及外圍設備；外圍設備包含光電轉換記錄系統和探頭；位移干涉儀采用光纖激光器，速度干涉儀采用固體激光器；其連接關系是光纖環行器一側的兩端口分別和光纖激光器及位移干涉儀的輸入端口相連接，另一側的端口和大芯徑光纖分束器的一側的兩端口之一相連接；光束分離系統把固體激光器輸出的激光經光纖引向大芯徑光纖分束器同一側的另一個端口；大芯徑光纖分束器另一側的端口又通過光纖把兩種激光引向探頭，照明被測樣品，并接收返回的信號光，由大芯徑光纖分束器分光，分別送回位移干涉儀和速度干涉儀。
2.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述用來分離激光輸出和返回速度干涉儀的光束分離系統包括反射鏡、小透鏡、帶孔反射鏡和大透鏡；固體激光器輸出的激光由反射鏡轉折，經小透鏡并穿過帶孔反射鏡的小孔成像在光纖端面上，經大芯徑光纖分束器送到被測樣品。
3.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述系統的光纖端面為斜角，斜角角度的大小根據光纖數值孔徑確定。
4.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述的大芯徑光纖分束器采用直徑為100～900微米的光纖。
5.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述的光纖激光器為輸出激光波長為1550nm或1310nm。
6.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述的固體激光器輸出激光波長為532nm。
7.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述的固體激光器采用輸出激光波長為514.5nm的氬離子激光器替代。
8.根據權利要求1所述的全波剖面測試系統，其特征在于所述的光纖端面斜角的角度為8°或12°。
全文摘要
本發明公開一種全波剖面測試系統，用于測試研究在高溫高壓等極端條件下，材料內部和自由面速度快速變化的所謂波剖面變化過程。本發明的系統包括位移干涉儀、速度干涉儀、光纖環行器，光束分離器和大芯徑光纖分束器，可以同時測試波剖面變化過程。本發明的系統集中了兩種干涉儀的功能和優點，測試結果互相補充和校對，可以得到較為完全的波剖面測試結果。本發明可用于軍工、材料科學、天體物理、地球物理等領域。
文檔編號G01B11/00GK1959371SQ200610021878
公開日2007年5月9日 申請日期2006年9月16日 優先權日2006年9月16日
發明者馬云, 胡紹樓, 翁繼東, 蔡靈倉, 汪小松, 李加波, 王翔, 陳宏 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所
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