532nm全光纤位移干涉仪的研制及应用

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:crossskyfreely
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凝聚态介质在快速加载情况下物理性质和状态的变化规律是冲击波物理的主要研究内容。冲击波物理研究在航空航天、地质勘探、国防工业和交通运输等领域有着广泛的实际运用。冲击波物理研究的主要特点是对波的传播和解析,而冲击波的传播速度同介质的声速量级相当(10km/s)。因此,要求诊断测试系统的响应时间为纳秒量级甚至更快。激光干涉测速技术具有良好的时间分辨率、速度分辨率、非接触性和测速范围广等优点,当其出现后迅速成为冲击波物理实验中主流诊断方法。因此,探索和发展新的激光干涉测速系统,不断提高其性能参数同时拓展应用范围,在冲击波物理领域仍然具有重要的实用价值和应用前景。本文从传统的迈克尔逊干涉仪着眼,对激光位移干涉仪进行了系统的研究,分析了其理论原理,技术要求、数据处理方法、限制因素、适用条件等。为了减弱限制因素,拓宽适用范围,设计并且搭建了短波长激光位移干涉系统。对该系统在静态和动态下分别进行了对比验证实验,比较其相对于传统激光位移干涉仪的性能特点。论文的主要工作包括以下几点:1:简单介绍了激光干涉测速仪的发展历史和各类干涉仪的应用范围。简述了激光干涉测速仪的基本结构和原理。将激光干涉测速仪中光谱宽度、初始相位差和信号调制度等因素对干涉信号质量的影响一一进行了分析。从分析中可知当信号光和参考光光程不相等时,一般使用单频激光器来保证信号光和参考光具有较小的光谱宽度和稳定的初始相位差确保最后能得到质量较高的干涉信号。在参考光和信号光光强相等时,干涉条纹的信号调制度最大。2:简单介绍了条纹干涉信号中最常用的处理方法-短时傅里叶变换。分析了常用的几种窗函数在处理条纹信号时的优缺点,及我们使用的汉宁窗函数具有频率辨识度较低及旁瓣小的特点。在对短时傅里叶变换的进一步分析中,我们发现其时间分辨率和频率分辨率的乘积存在下限,时间宽度不能随着频率的变化而变化,时间宽度必须超过一个条纹周期等缺点。为了克服这些缺点同时降低经济成本,我们提出了在一台激光器的前提条件下用短波长光源(以532 nm激光光源为例)来代替传统的长波长光源(以1550 nm激光光源为例)的设想以解决低速撞击下的粒子速度测量问题。3:在使用2*2光纤耦合器代替难以从市场上直接采购的关键元器件532 nm环形器后搭建了短波长位移干涉仪并且分别进行了静态和动态对比实验。在静态实验中,我们发现当参考光和信号光具有相同光路时,条纹调制度稳定,抗干扰能力强。在与传统1550 nm位移干涉仪的低速碰撞对比实验中,我们对干涉条纹信号进行分析发现532 nm位移干涉仪具有时间分辨率更高、理论速度分辨率更精确、测得的雨功纽弹性极限(HEL)更接近真实值等优点。除此之外,我们发现多模光纤由于色散的影响会造成干涉信号调制度不稳定,降低条纹质量。因此使用单模光纤代替多模光纤。
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