时分复用激光干涉测速技术研究

　　0　引言

　　速度作为物态方程和流体动力学研究中的重要参量之一[1-3]，可以由实验直接进行测量，并且具有较高的测量准确度，因而，研究和发展针对自由面连续运动速度、波后粒子速度、飞片运动速度等的先进测试技术，具有直接而重要的需求背景，其测试水平也成为影响动高压物理研究水平的关键因素之一.

　　激光干涉测速技术具有非接触测量、时间分辨率高、测速精确度高及测量动态范围大等优点，已成为冲击波物理和爆轰物理实验研究中的标准技术之一[4-9].因此，积极探索和研究新的激光干涉测速技术，提高其性能指标和拓展应用范围，具有重要的学术意义.激光干涉测速技术应用最广泛的爆轰加载过程，其速度突变发生在第一次冲击前沿，这一过程速度变化很快，但其达到的速度值一般不是该物理过程的最大值，而速度的最大值是在样品经过多次冲击加载后达到，在此多次加载过程中其速度突变的幅度不是太大.

　　根据上述特点，本文提出了时分复用激光干涉测速技术，其基本思路是利用激光干涉测速技术(Velocity　 Interferometer　 System　 for　AnyReflector，VISAR)中的延迟时间τ，在0～τ时间内，激光干涉体现的是激光干涉测位移技术，而在τ以后的过程中，激光干涉体现的是激光干涉测速度技术.这样分时段适应冲击前沿速度变化快，但速度不是最大的过程;而第一次冲击后，速度逐渐达到最大，但期间速度变化较慢的特点.该技术的应用，可以较好地确定第一冲击前沿的速度幅度值(解决条纹丢失的不确定性)，同时在硬件要求不太高(降低对示波器带宽和采样率的要求)的情况下，保证有较高的速度测量上限.

　　1　理论分析

　　光纤速度干涉仪结构如图1.由光纤激光器输出的激光(f0)经过单模光纤，传输至光纤环行器，经过该光纤环行器后到单模光纤传输至光纤探头，纤探头将激光引向运动靶面.由靶面反射回的光经光纤探头收集后进入单模光纤，经过光纤环行器，由光纤环行器另一端口输出，并经过一个1×2光纤耦合器分为两路光，这两路光在3×3光纤耦合器中合束进行干涉，输出的三路位相差为120°的干涉信号，由三个探测器进行记录.

　　VISAR中，直接光路的光波为:

　　假设直接光路和延迟光路的光强相同，并归一化为1，则合束时光波为:

　　1.1　当t>τ时

　　由式(6)可见，光强是速度的余弦函数(图2)，其周期为λ0/2τ，即速度每变化λ0/2τ，干涉输出的信号将经历一个明暗变化.用光电探测器检测出干涉信号随时间的变化过程，即得到靶的速度历史，因此，称该技术为干涉测速度技术.