專利名稱：一種針對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)的多物理場測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及爆炸與沖擊效應(yīng)領(lǐng)域，特別是涉及ー種針對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)的多物理場測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊是爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展方向，是力學(xué)學(xué)科的前沿領(lǐng)域。通過激光驅(qū)動(dòng)開展爆炸與沖擊研究，在效率、安全性、精細(xì)測量技術(shù)的配備上具有明顯的優(yōu)勢。特別是激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊可以獲得常規(guī)的爆炸與沖擊手段所不能達(dá)到的超高壓力(GPa量級(jí)以上)、超短脈沖(ns量級(jí))、高沖擊速度(km/s量級(jí))和超高應(yīng)變率(106/s量級(jí)以上)，是開展尖端科技研究不可或缺的手段。 激光驅(qū)動(dòng)的爆炸與沖擊產(chǎn)生的強(qiáng)動(dòng)載荷具有高強(qiáng)度、短歷時(shí)和小尺度的特點(diǎn)，對(duì)測量技術(shù)和測試裝備提出了更高的要求。最近，高速攝影技木、X閃光照相技術(shù)、高速數(shù)字示波器以及相關(guān)的傳感器、光源和快電子學(xué)設(shè)備已經(jīng)開始應(yīng)用于爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)。診斷技術(shù)發(fā)展的主流是以激光和光電子學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的快響應(yīng)、高分辨率、高靈敏度的非接觸測量技術(shù)，例如各種激光干涉測量和光譜技術(shù)(速度和位移干涉儀、VISAR (任意反射面測速)、FPI等)、散斑技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光和拉曼光譜技術(shù)、光學(xué)窗ロ技術(shù)等。迄今為止，激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波壓力的準(zhǔn)確測量問題都沒能得到很好的解決。激光誘導(dǎo)的沖擊波壓カ高(GPa量級(jí))，作用時(shí)間短(納秒量級(jí))，衰減快，普通的壓電石英傳感器、錳銅傳感器等由于受到量程、頻響和尺寸的限制，測量結(jié)果不能令人滿意。近年來，PVDF(聚偏ニ氟こ烯)壓電薄膜傳感器的出現(xiàn)成為對(duì)波剖面測量的一次革命，其最大特點(diǎn)是響應(yīng)快(為納秒量級(jí))，測壓范圍大(可達(dá)20GPa以上)。國內(nèi)這方面的工作開展較晩，目前多是利用PVDF薄膜手工制作不同的傳感器進(jìn)行應(yīng)用研究，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化的PVDF傳感器。自由表面速度測量是爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)研究的另一重點(diǎn)與難點(diǎn)。在LSP(激光沖擊強(qiáng)化)研究中，通常激光脈寬為幾個(gè)納秒，壓カ持續(xù)作用時(shí)間為十幾個(gè)納秒，弾性前驅(qū)波到達(dá)毫米量級(jí)厚度的靶材背表面所需的時(shí)間約為ー兩百個(gè)納秒，在十幾個(gè)納秒內(nèi)自由表面速度就由幾米毎秒上升至數(shù)百米毎秒。因此，LSP自由表面測速對(duì)測試設(shè)備的靈敏度、時(shí)間分辨率和頻率響應(yīng)范圍都提出了非常高的要求。Berther等人曾經(jīng)嘗試采用VISAR進(jìn)行測量，但未能觀察到數(shù)值計(jì)算能夠模擬出的彈性前驅(qū)波。Arrigoni等人采用Fabry-Perot干涉儀初步觀測到了 LSP背表面弾性前驅(qū)波，但Fabry-Perot干涉儀價(jià)格過于昂貴。綜上所述，激光驅(qū)動(dòng)的爆炸和沖擊具有超短脈沖、超高壓力、高沖擊速度和超高應(yīng)變率的特點(diǎn)，相關(guān)測試手段還遠(yuǎn)未發(fā)展成熟。目前，國內(nèi)在納秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的壓力傳感器的研制還處于起步階段，裝備于實(shí)驗(yàn)室的高速攝影和VISAR系統(tǒng)也難以滿足高速、高分辨率的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有測試手段難以滿足激光驅(qū)動(dòng)的爆炸和沖擊實(shí)驗(yàn)的缺陷，本發(fā)明提供ー種高精度的多物理場同步實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，可對(duì)激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊試驗(yàn)過程進(jìn)行較全面和較準(zhǔn)確的表征。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種針對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)的多物理場測量系統(tǒng)，包括光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)以及激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，其中，所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)用于對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，其測速范圍為10° 104m/S量級(jí)，測量時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)；所述PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)用于強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波壓力測量，測量量程為25GPa，時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)；所述高速圖像采集系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)過程中的靶體運(yùn)動(dòng)以及介質(zhì)擾動(dòng)時(shí)序過程進(jìn)行圖像采集；所述激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)用于每一次試驗(yàn)的激光能量記錄、 脈寬波形記錄與功率密度空間分布記錄；以及，通過脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)多場同步實(shí)時(shí)測量。優(yōu)選地，上述系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括通訊激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，通訊激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連；所述通訊激光器用于發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端口 ；所述光纖環(huán)形器用于將接收到的通訊激光從其第二端口發(fā)送至聚焦透鏡，以及，將接收到的參考光和信號(hào)光從其第三端口發(fā)送至探測器；所述聚焦透鏡用于將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端口，另一部分輸出至運(yùn)動(dòng)靶面；并將從運(yùn)動(dòng)靶面反射回的信號(hào)光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端口；所述探測器用于探測所述參考光和信號(hào)光產(chǎn)生的差拍干涉信號(hào)，并發(fā)送至示波器；所述示波器用于記錄所述差拍干涉信號(hào)，并將所記錄的差拍干涉信號(hào)發(fā)送至所述控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，上述系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)包括PVDF傳感器、示波器和三個(gè)電阻，其中，PVDF傳感器與第一電阻并聯(lián)，所述第一電阻的一端連接第三電阻，另一端連接第二電阻；所述第二電阻的一端與第一電阻相連，另一端與第三電阻相連；所述第二電阻與所述示波器并聯(lián)。優(yōu)選地，上述系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述第一電阻、第二電阻和第三電阻如下條件R1/ (R2+R3) < I， , ~< 50Q。
A7 + Aj + 1\'飛優(yōu)選地，上述系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)所述激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)包括光電探測器、示波器、能量計(jì)、光路系統(tǒng)和電荷耦合器件(CCD);其中，
所述光電探測器，用于測量衰減后的激光脈寬波形；所述示波器，其與光電探測器相連，用于記錄衰減后的激光脈寬波形，并利用脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，控制多物理場實(shí)時(shí)測量的同步進(jìn)行；所述能量計(jì)，用于記錄單脈沖激光能量；所述光路系統(tǒng)，包含棱鏡等光學(xué)器件，用于對(duì)激光能量進(jìn)行衰減；所述CCD，與所述光路系統(tǒng)相連，用于記錄激光功率密度的空間分布，進(jìn)ー步分析其光束質(zhì)量。 本發(fā)明通過多種高速、高分辨率的測試手段的協(xié)同與協(xié)調(diào),對(duì)多個(gè)物理場(速度、壓力、圖像)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，可對(duì)激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊試驗(yàn)過程進(jìn)行較全面的表征。其中自由表面速度和沖擊波壓カ測量的時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)，自由表面速度測量的范圍為IO0^IOVs量級(jí)，沖擊波壓カ測量的量程為25GPa。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的爆炸與沖擊效應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的多物理測量系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的PVDF瞬態(tài)壓カ測試系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明可以對(duì)具有強(qiáng)瞬態(tài)特征的速度、壓力、圖像等多個(gè)物理場進(jìn)行同步測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)過程的較全面表征。在本發(fā)明中，采用如下技術(shù)以激光和光電子學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的快響應(yīng)(納秒)、高分辨率(微米)、高靈敏度的非接觸測量在線技術(shù)，包括光纖激光多普勒干涉測速、納秒級(jí)響應(yīng)的PVDF壓カ測量、激光脈寬、能量及光束質(zhì)量測量、高速圖像測量、高帶寬數(shù)據(jù)采集等技木。如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的爆炸與沖擊效應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)，包括依次相連的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)環(huán)境和多物理測量系統(tǒng)，以及與所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)環(huán)境和多物理測量系統(tǒng)分別相連的控制系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以短脈沖(脈寬為納秒量級(jí))、高能量激光器為主體，用于將強(qiáng)激光(單脈沖能量為幾焦耳到百焦耳，功率密度為109W/cm2及以上)光束傳輸至所述試驗(yàn)環(huán)境；該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生試驗(yàn)環(huán)境中各試驗(yàn)裝置所需要的強(qiáng)激光，并靈活地傳輸至相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括相連的激光器和光學(xué)平臺(tái)，所述激光器用于產(chǎn)生短脈沖強(qiáng)激光光束；所述光學(xué)平臺(tái)用于將所述激光器所產(chǎn)生的強(qiáng)激光光束通過光路調(diào)節(jié)與柔性傳輸發(fā)送至所述各類試驗(yàn)環(huán)境。所述試驗(yàn)環(huán)境，主體是開展微爆炸試驗(yàn)的環(huán)境箱、高速?zèng)_擊的試驗(yàn)靶箱和試樣高溫加熱環(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)多種激光驅(qū)動(dòng)的爆炸與沖擊效應(yīng)試驗(yàn)，包括激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)、激光驅(qū)動(dòng)的水下爆炸及推進(jìn)試驗(yàn)和激光驅(qū)動(dòng)的飛片試驗(yàn)；該試驗(yàn)環(huán)境具體包括激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)裝置、激光驅(qū)動(dòng)的水下爆炸及推進(jìn)試驗(yàn)裝置和激光驅(qū)動(dòng)的飛片試驗(yàn)裝置；其中，所述激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)裝置用于進(jìn)行金屬材料的激光沖擊強(qiáng)化處理試驗(yàn)；所述激光驅(qū)動(dòng)的水下爆炸及推進(jìn)試驗(yàn)裝置用于開展水下沖擊波與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相互作用機(jī)理、爆炸產(chǎn)物氣泡脈動(dòng)規(guī)律等研究；所述激光驅(qū)動(dòng)的飛片試驗(yàn)裝置用于開展材料在超高應(yīng)變率下的本構(gòu)關(guān)系、狀態(tài)方程及沖擊波傳播過程研究。所述多物理測量系統(tǒng)用于對(duì)上述幾種試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度、沖擊波壓力、運(yùn)動(dòng)圖像等多物理場同步測量，以及激光的能量、脈寬和光束質(zhì)量等試驗(yàn)條件同步監(jiān)測；所述控制系統(tǒng)為基于現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)耐娇刂婆c軟件系統(tǒng)，用于對(duì)所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)環(huán)境和多物理測量系統(tǒng)進(jìn)行同步控制以及數(shù)據(jù)采集。該控制系統(tǒng)采用PXI或PR0FIBUS現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)環(huán)境和多物理測量系統(tǒng)的同步與協(xié)調(diào)控制；采用LABVIEW系統(tǒng)編制激光驅(qū)動(dòng)的爆炸與沖擊試驗(yàn)全自動(dòng)控制軟件；并能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐娇刂?。本發(fā)明的試驗(yàn)平臺(tái)工作過程是將強(qiáng)激光光束引入到試驗(yàn)環(huán)境中；試驗(yàn)環(huán)境的主 體是可開展微爆炸實(shí)驗(yàn)的環(huán)境箱和可開展高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的環(huán)境箱，它們都配有耐高溫、高壓的光學(xué)觀察窗口，并配套以試樣高溫加熱裝置以滿足某些特殊需求；通過光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、ns級(jí)響應(yīng)時(shí)間、大量程的PVDF薄膜壓力傳感器、高速圖像采集系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、壓力、圖像等多個(gè)物理場進(jìn)行測量；通過軟件系統(tǒng)的研制，基于現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同與協(xié)調(diào)控制，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐娇刂?。下面?duì)多物理測量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述如圖2所示，多物理測量系統(tǒng)包括納秒級(jí)分辨率的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、納秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)以及激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，其中，所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)用于對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，其測速范圍為10° 104m/S量級(jí)，測量時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)；所述PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)用于強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波壓力測量，最大壓力測量為25GPa，測量的時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)；所述高速圖像采集系統(tǒng)通常為高速C⑶或ICXD (相增強(qiáng)型)圖像采集裝置，具有亞微米量級(jí)的時(shí)間分辨率和微米量級(jí)的空間分辨率，可用于對(duì)試驗(yàn)過程中的靶體運(yùn)動(dòng)以及介質(zhì)擾動(dòng)時(shí)序過程進(jìn)行圖像采集。所述激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)用于每一次試驗(yàn)的激光能量記錄、脈寬波形記錄與功率密度空間分布記錄，其中該系統(tǒng)還利用脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，控制多物理場實(shí)時(shí)測量的同步進(jìn)行。如圖3所示，光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括通訊激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，通訊激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連；其中，激光器發(fā)射通訊激光(其初始頻率為&)至光纖環(huán)形器的第一端口 ；所述光纖環(huán)形器將接收到的通訊激光從其第二端口發(fā)送至聚焦透鏡；所述聚焦透鏡將接收到的通訊激光的一部分作為參考光(其頻率仍為&)從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端口，另一部分輸出至運(yùn)動(dòng)靶面；并將從運(yùn)動(dòng)靶面反射回的信號(hào)光(因多普勒頻移效應(yīng)而具有頻率fb)發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端ロ ；所述光纖環(huán)形器將接收到的參考光和信號(hào)光從其第三端ロ發(fā)送至探測器；所述探測器探測到所述參考光和信號(hào)光產(chǎn)生的差拍干涉信號(hào)，并發(fā)送至示波器；所述示波器記錄所述差拍干渉信號(hào)，并將所記錄的差拍干涉信號(hào)發(fā)送至控制系統(tǒng)。參考光和信號(hào)光產(chǎn)生差拍干涉信號(hào)，被探測器探測和示波器記錄，其瞬時(shí)光強(qiáng)為
HO = I0(0 + Ib(t) + 2」I0(t)Ib(0 cos H u(t)dt + (p0(I) 其中，Itl (t)和Ib(t)分別為參考光和信號(hào)光光強(qiáng)幅值，U (t)為運(yùn)動(dòng)靶面瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度，、為激光波長，物為初始相位差。運(yùn)動(dòng)靶面的質(zhì)點(diǎn)速度為y(t) = kfb(t)-fo]-^￥h(0(2)Afb(t)為拍頻，由瞬時(shí)干涉條紋的疏密決定，可取相鄰兩個(gè)波峰或波谷時(shí)間間隔的倒數(shù)。可見，速度歷程隱藏在干渉信號(hào)的頻域內(nèi)，而與光強(qiáng)變化無關(guān)，因此光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。主要的系統(tǒng)誤差來源于通訊激光器波長的不穩(wěn)定性和基頻噪聲。在一優(yōu)選實(shí)例中，該光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)采用美國JDSU公司CQF938/400型窄線寬通訊激光器，輸出光的波長為1550nm，線寬為200kHz，最大輸出功率IOOmff0探測器采用New Focus公司1544-A型InGaAs PIN產(chǎn)品，帶寬為12GHz;示波器采用Lecoy公司W(wǎng)aveMaster808Zi型產(chǎn)品，帶寬為8GHz,單通道最大寫入速度40Gs/s。如圖4所示，PVDF瞬態(tài)壓カ測試系統(tǒng)包括PVDF傳感器、示波器和三個(gè)電阻，其中，PVDF傳感器與第一電阻Rl并聯(lián)，所述第一電阻Rl的一端連接第三電阻R3，另一端連接第ニ電阻R2 ;所述第二電阻R2的一端與第一電阻Rl相連，另一端與第三電阻R3相連；所述第二電阻R2與所述示波器并聯(lián)。其中，第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3滿足如下條件
It X (R1+IL)R,/(R2+RJ<1,丄 ——^<50D。
ハム 3R1 + R, + R,PVDF瞬態(tài)壓カ測試系統(tǒng)通過在PVDF傳感器與采集設(shè)備(即示波器)之間搭建等效測量電路。對(duì)PVDF電路而言，第二電阻R2和第三電阻R3串聯(lián)后與第一電阻Rl并聯(lián)；對(duì)采集設(shè)備而言，第一電阻Rl和第三電阻R3串聯(lián)后與第二電阻R2并聯(lián)。這樣，PVDF兩極放電形成的電流經(jīng)過第二電阻R2和第三電阻R3分流，減小了采集設(shè)備測量的電壓。設(shè)示波器測量的電壓為Um，PVDF兩端的電壓為U。則UノU=R2/ (R2+R3)，可以通過設(shè)置較大的第三電阻R3，來減小Um，保證示波器測量的電壓值不限幅，從而得到完整的電壓波形。另外，等效測量電路為電橋模式，頻響高，保證了測量的精度，測量的精度能夠達(dá)到傳統(tǒng)的電流電路測量模式。在LSP具體測量的過程中，采用上述PVDF測量系統(tǒng)進(jìn)行直接測量。將PVDF傳感器分別置于厚度為hi和h2的鋁膜的底端，然后通過激光對(duì)鋁膜進(jìn)行輻照，產(chǎn)生等離子體壓力。通過對(duì)兩種不同厚度的鋁膜進(jìn)行測量，來得到激光誘導(dǎo)的壓力特征。鋁膜厚度要足夠小，設(shè)兩次實(shí)驗(yàn)中的鋁膜厚度分別為hi和h2。厚度為hi時(shí)測量得到的峰值壓力為O1，半峰寬時(shí)間為t1;厚度為h2時(shí)測量得到的峰值壓力為O2，半峰寬時(shí)間為t2。通過線性插值，則激光誘導(dǎo)的壓力峰值％和半峰寬時(shí)間、為CTm = 1 - - 1
H1-H2
Zl1T2 - h2x,Tm= 12 2
K-K通過這種方法，由兩次的測量結(jié)果就可以直接得到激光誘導(dǎo)的壓力特征，為LSP 過程中的壓力測量提供了實(shí)驗(yàn)方法。激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)包括光電探測器，用于測量衰減后的激光脈寬波形；示波器，其與光電探測器相連，用于記錄衰減后的激光脈寬波形，并利用脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，控制多物理場實(shí)時(shí)測量的同步進(jìn)行；能量計(jì)，用于記錄單脈沖激光能量；光路系統(tǒng)，包含棱鏡等光學(xué)器件，用于對(duì)激光能量進(jìn)行衰減；CCD (電荷耦合器件)，與所述光路系統(tǒng)相連，用于記錄激光功率密度的空間分布，進(jìn)一步分析其光束質(zhì)量。綜上所述，本發(fā)明基于光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)和激光脈寬、能量及光束質(zhì)量實(shí)時(shí)多物理測量系統(tǒng)，可以對(duì)具有強(qiáng)瞬態(tài)特征的速度、壓力、圖像等多個(gè)物理場進(jìn)行同步測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊實(shí)驗(yàn)過程的較全面表征。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)的多物理場測量系統(tǒng)，其特征在于，包括光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)以及激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，其中， 所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)用于對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)靶面質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行測量，其測速范圍為10° 104m/s量級(jí)，測量時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)； 所述PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)用于強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波壓力測量，測量量程為25GPa，時(shí)間分辨率為納秒量級(jí)； 所述高速圖像采集系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)過程中的靶體運(yùn)動(dòng)以及介質(zhì)擾動(dòng)時(shí)序過程進(jìn)行圖像米集； 所述激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)用于每一次試驗(yàn)的激光能量記錄、脈寬波形記錄與功率密度空間分布記錄；以及，通過脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)多場同步實(shí)時(shí)測量。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)包括通訊激光器、光纖環(huán)形器、聚焦透鏡、探測器和示波器，其中，通訊激光器、光纖環(huán)形器、探測器和示波器依次相連，聚焦透鏡與光纖環(huán)形器相連； 所述通訊激光器用于發(fā)射通訊激光至光纖環(huán)形器的第一端口； 所述光纖環(huán)形器用于將接收到的通訊激光從其第二端口發(fā)送至聚焦透鏡，以及，將接收到的參考光和信號(hào)光從其第三端口發(fā)送至探測器； 所述聚焦透鏡用于將接收到的通訊激光的一部分作為參考光從其端面反射回所述光纖環(huán)形器的第二端口，另一部分輸出至運(yùn)動(dòng)靶面；并將從運(yùn)動(dòng)靶面反射回的信號(hào)光發(fā)送至光纖環(huán)形器的第二端口； 所述探測器用于探測所述參考光和信號(hào)光產(chǎn)生的差拍干涉信號(hào)，并發(fā)送至示波器；所述示波器用于記錄所述差拍干涉信號(hào)，并將所記錄的差拍干涉信號(hào)發(fā)送至所述控制系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)包括PVDF傳感器、示波器和三個(gè)電阻，其中，PVDF傳感器與第一電阻并聯(lián)，所述第一電阻的一端連接第三電阻，另一端連接第二電阻；所述第二電阻的一端與第一電阻相連，另一端與第三電阻相連；所述第二電阻與所述示波器并聯(lián)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一電阻、第二電阻和第三電阻如下條件
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)包括光電探測器、示波器、能量計(jì)、光路系統(tǒng)和電荷耦合器件(CCD);其中， 所述光電探測器，用于測量衰減后的激光脈寬波形； 所述示波器，其與光電探測器相連，用于記錄衰減后的激光脈寬波形，并利用脈寬波形的上升前沿作為觸發(fā)，控制多物理場實(shí)時(shí)測量的同步進(jìn)行； 所述能量計(jì)，用于記錄單脈沖激光能量；所述光路系統(tǒng)，包含棱鏡等光學(xué)器件，用于對(duì)激光能量進(jìn)行衰減； 所述CCD，與所述光路系統(tǒng)相連，用于記錄激光功率密度的空間分布，進(jìn)ー步分析其光束質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種針對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)的多物理場測量系統(tǒng)，包括納秒級(jí)分辨率的光纖激光多普勒干涉測速系統(tǒng)、納秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的PVDF瞬態(tài)壓力測試系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)以及激光能量、脈寬和光束質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明通過多種高速、高分辨率的測試手段的協(xié)同與協(xié)調(diào)，對(duì)多個(gè)物理場(速度、壓力、圖像)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，可對(duì)激光驅(qū)動(dòng)爆炸與沖擊試驗(yàn)過程進(jìn)行較全面的表征。
文檔編號(hào)G01J9/02GK102778256SQ201210247028
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者吳先前, 宋宏偉, 魏延鵬, 黃晨光 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所