用光学记录速度干涉仪测量自由面速度

　　实验研究在强冲击波作用下各种材料的状态方程,对于新材料科学、地球物理学研究等多个领域都有重要的理论意义和广阔的应用前景。近年来,在实验室利用强激光产生稳定的冲击波研究物质的状态方程已经实现。但是由于用激光产生冲击波是一个高速变化的过程,它的产生、传播、反射、衰减、消失全过程一般都在ns量级甚至更短的时间内,因此利用激光产生冲击波来精确测量状态方程中的数据是实验中的难题。

　　大多数状态方程数据都是采用相对测量的方法进行测量,如阻抗匹配法等,很少用绝对测量法测量自由面速度。激光速度干涉仪是被普遍接受的测量自由面速度的诊断设备,可直接记录靶后表面速度随时间的变化[1-4],而且光学记录速度干涉仪具有很高的时间分辨率,数据处理比较简单[5-9]。本文建立了光学记录速度干涉仪系统(ORVIS),以此对状态方程自由面速度数据进行直接测量。

    1　ORVIS实验装置

　　光学记录速度干涉仪系统如图1所示,采用光谱物理公司的氩离子激光器,氩离子激光器经过单色和线宽压缩处理,输出波长为514.5 nm。氩离子激光通过一个带有3 mm直径小孔的全反镜M3,然后经过一个焦距为100 mm,直径为20 mm的透镜L2聚焦到靶表面上,进行靶表面的自由面速度的测量。氩离子激光的焦点直径约为45μm,和KrF激光的焦点经过严格对正。靶表面的散射光经过透镜L2收集,收集光按照原光路平行返回,在全反镜M3处入射光和收集到的散射光被分开,然后经过缩束望远镜变为直径为10 mm的平行光束,进入干涉仪系统。

　　光学记录速度干涉仪系统两路光的光程不同,采用熔石英标准具E在干涉仪的其中一路产生延时。缩束后的光经过分束镜BS2分成两路,经过反射又重新在分束镜BS2上重合,产生干涉。小角度旋转M1,那么在垂直于转方向上就会产生相互平行的直线干涉条纹。所产生的干涉图像在平行于干涉条纹方向用柱面镜CL压缩,进入条纹相机。下面提到的实验中,采用的光学记录速度干涉仪系统的时间分辨率为179 ps,通过缩小标准具的长度,可以实现几十ps的时间分辨率。

　　用光学记录速度干涉仪系统测量自由面速度的变化过程,是通过观测条纹的变化而得到的。自由面速度的变化与干涉条纹在垂直于条纹方向上的移动y(t)的关系为

式中:λ是氩离子激光的工作波长;d是干涉条纹的条纹间隔;τ是光学记录速度干涉仪两路光的延时时间,τ=2h(n-n-1)/c,h是融石英标准具的厚度,n是熔石英标准具的折射率;而(1+δ)是由于激光频率的变化而对光程造成影响的修正,当波长为514.5 nm时,利用Malitson公式可以算出δ=0.033 9。