啁啾脈沖頻域干涉及其在沖擊波測量上的應用研究.pdf

1、隨著激光技術的發(fā)展和日趨成熟，超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用研究引起了越來越多的關注。短脈沖激光與物質(zhì)相互作用是一個非常復雜的過程，其中人們感興趣的區(qū)域往往發(fā)生在亞皮秒時間尺度，由此要求相關測試技術必須具有更高的時間分辨能力。啁啾脈沖頻域干涉儀（CPSI）作為一種時-空分辨的連續(xù)測試技術，最高可以達到飛秒量級的時間分辨，從而為超快激光與物質(zhì)相互作用研究提供了一種重要實驗技術。飛秒激光驅(qū)動沖擊波寬度窄、壓力高，對于研究材料在超高應變率條件下的

2、動力學響應特性和高壓狀態(tài)方程具有重要意義。但是，目前人們對飛秒激光驅(qū)動沖擊波的認識和研究十分有限，其中一個重要原因是缺乏穩(wěn)定可靠的實驗技術。因此，探究啁啾脈沖頻域干涉測量技術并將其應用到飛秒激光驅(qū)動沖擊波的研究中意義重大。
　　本論文首先理論分析了CPSI測量探測脈沖時域相位擾動的過程。研究了頻譜干涉條紋數(shù)據(jù)截短對時域相位擾動重建的影響，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)截短會減小重建時域相移的有效長度。如果在重建過程中探測脈沖頻域相移向時域相移的轉(zhuǎn)換采用

3、傅里葉變換映射方式，數(shù)據(jù)截短還會導致重建信號的時間分辨下降和振蕩，此時在進一步的求導處理之前，需要進行數(shù)據(jù)平滑。當頻-時相移轉(zhuǎn)換采用直接映射方式時，對比研究了從頻譜條紋中提取探測脈沖頻域相移的兩種解譜模式。在無噪聲頻譜條紋情況下，傅里葉變換模式解譜的重建誤差低于小波變換模式，而且有效數(shù)據(jù)截短不會引起重建信號的振蕩，有利于其求導處理后的數(shù)據(jù)分析；在頻譜條紋帶有隨機白噪聲的情況下，重建信號開始出現(xiàn)振蕩，這時小波變換表現(xiàn)出了更好的噪聲抑制能力

4、，因此更適合處理低信噪比的條紋圖形。
　　對于CPSI中使用的線性啁啾脈沖的產(chǎn)生，研究并利用兩塊光柵搭建了一個啁啾脈沖產(chǎn)生模塊，用來將飛秒激光展寬為線性啁啾脈沖。為了測量線性啁啾脈沖的啁啾系數(shù)，提出了一種線性光學測量方法——非對稱頻域干涉法。理論和數(shù)值模擬研究了非對稱頻域干涉法的原理和適用范圍，發(fā)現(xiàn)對于高斯和其他波形的啁啾脈沖，非對稱頻域干涉法均可適用；但是當啁啾脈沖的啁啾量過小時，測量結(jié)果的誤差會明顯增大；此外，考慮參考脈沖中引

5、入啁啾時的情況，非對稱頻域干涉法測到的啁啾系數(shù)是參考脈沖啁啾和待測啁啾共同作用的結(jié)果。通過實驗測量啁啾脈沖產(chǎn)生模塊展寬飛秒激光得到的啁啾脈沖，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率隨時間的變化近似為線性，與模塊的展寬特性一致，從而實驗驗證了非對稱頻域干涉法的可行性。
　　設計并搭建了一套利用飛秒激光振蕩器模擬飛秒激光驅(qū)動沖擊波和CPSI超快診斷的靜態(tài)實驗系統(tǒng)。通過對靜態(tài)實驗系統(tǒng)的研究，突破并掌握了其中的關鍵實驗技術，從而為開展動態(tài)測試實驗提供了技術保障?；?/p>

6、于皮秒啁啾激光脈沖，開展了激光在鋁膜中驅(qū)動沖擊波和CPSI超快診斷的實驗研究。當沖擊波傳播到達鋁膜自由面時，CPSI對自由面啟動前后一段時間內(nèi)的位移和速度演化過程進行了單發(fā)超快測量，測試量程和相應的時間分辨分別為562.5ps和3.1ps，從而完成了CPSI超快診斷技術的原理驗證性實驗。
　　為了增大 CPSI診斷技術的測試量程，利用線性啁啾脈沖序列和光譜儀-條紋相機記錄系統(tǒng)，設計了一種掃描頻域干涉儀。理論和數(shù)值模擬研究了該干涉儀

7、原理及其對時域相位擾動信號的測量，結(jié)果表明，掃描頻域干涉儀的時間分辨本領與CPSI相同，但測試量程更大；此外，盡管不同的記錄系統(tǒng)采樣時間會導致頻譜條紋的分布存在差異，其并不影響信號測量的精度。針對任意反射面的速度干涉儀（VISAR）存在的不足，本論文基于成像型光譜儀，研究設計了一種啁啾脈沖速度干涉儀。理論研究其原理和測速特性，發(fā)現(xiàn)該速度干涉儀可以實現(xiàn)皮秒記錄時間分辨；通過產(chǎn)生沿光譜軸方向的干涉條紋，降低了對光譜儀光譜分辨率的要求；通過采