一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，脈沖激光源、輸入干涉測速腔、輸出干涉測速腔、分束鏡、反射鏡、成像鏡頭和CCD相機；所述脈沖激光源發(fā)射的脈沖進入輸入干涉測速腔，經(jīng)過輸入干涉測速腔輸出的脈沖由成像透鏡聚焦到待測靶面，從待測靶面發(fā)射回的脈沖由成像鏡頭收集并用分束鏡分光到反射鏡上再反射到輸出干涉腔，經(jīng)過輸出干涉測速腔輸出的梳狀干涉條紋由CCD相機記錄；本實用新型的實施可以實現(xiàn)超高時間分辨；同時在超高時間分辨的基礎上實現(xiàn)空間相移面成像，只需要兩個CCD相機就可以記錄四幅干涉條紋圖像，實現(xiàn)更高的速度分辨。
【專利說明】一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于激光干涉測試【技術領域】，具體涉及能夠實現(xiàn)時間和空間分辨速度測量的一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀。
【背景技術】
[0002]目前基于成像原理的激光干涉測速技術主要有線成像任意反射面速度干涉儀(VISAR)和分幅面成像任意反射面速度干涉儀，它們是傳統(tǒng)點VISAR技術的發(fā)展，用梳狀干涉條紋取代“牛眼”狀環(huán)紋，用掃描相機或者分幅相機記錄一維或者二維梳狀干涉條紋隨時間的變化過程，記錄像面與靶面具有物像關系，能夠實現(xiàn)空間分辨。線成像VISAR能夠測量樣品表面一條線上各點速度隨時間變化的過程；分幅面成像VISAR能夠測量多個時刻二維樣品表面各點的絕對速度分布或者相對速度分布。分幅面成像VISAR技術(分幅面成像任意反射面速度干涉儀診斷激光驅動飛片全場速度，光學學報，2013，33 (9))采用連續(xù)激光照明，超高速光電分幅相機記錄二維空間分辨的梳狀干涉條紋，但受到分幅相機曝光時間限制，速度測量時間分辨通常為Ins?5ns，難以滿足激光驅動及各種碰撞試驗的超快過程中材料的相變、層裂的亞納秒甚至皮秒時間分辨要求。另外分幅面成像VISAR技術每一個時刻只記錄一幅干涉條紋圖像，需采用傅里葉變換方法對整幅圖像進行相位分析，相位恢復精度只有1/20條紋，相應的速度分辨對應于1/20條紋常數(shù)。且由于傅里葉變換方法是對整幅圖像而不是每個像素進行分析，因此對于超高速過程中的條紋錯位、分裂等情況，是無能為力的。
[0003]通常超短脈沖的脈沖寬度是百皮秒以下，而VISAR干涉腔中標準具引起的兩臂延遲時間差在百皮秒以上(300m/s/Fr的條紋常數(shù)對應于857 ps)。很顯然直接用超短脈沖激光照明靶面，從靶面返回的漫反射光是無法在VISAR干涉腔中形成干涉。需要有新的結構來實現(xiàn)超短脈沖在VISAR干涉腔中的干涉。
[0004]傳統(tǒng)點VISAR利用波片和偏振分束棱鏡產(chǎn)生四路位相差為90°的“牛眼”狀干涉信號，分出的光束在兩對正交方向上。在點VISAR基礎之上發(fā)展出一種線成像VISAR，用光纖傳像束將偏振棱鏡分開的四路相移干涉信號導入到掃描相機狹縫上。借鑒這樣的結構實現(xiàn)空間相移面成像VISAR，則需要用到4根大截面極細芯徑光纖傳像束和I個大感光面積且高像元數(shù)的CCD相機，系統(tǒng)復雜、調節(jié)困難、成本昂貴。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是在現(xiàn)有技術基礎上提出一種光路，實現(xiàn)超高時間分辨測速；
[0006]本實用新型的另一目的是在實現(xiàn)超高時間分辨的基礎上以空間相移面成像VISAR光路實現(xiàn)更高的速度分辨。
[0007]本實用新型采用的技術方案為:一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，所述干涉儀包括脈沖激光源、輸入干涉測速腔、輸出干涉測速腔、分束鏡、反射鏡、成像鏡頭和C⑶相機；所述脈沖激光源發(fā)射的脈沖進入輸入干涉測速腔，經(jīng)過輸入干涉測速腔輸出的脈沖由成像透鏡聚焦到待測靶面，從待測靶面發(fā)射回的脈沖由成像鏡頭收集并用分束鏡分光到反射鏡上再反射到輸出干涉腔，經(jīng)過輸出干涉測速腔輸出的梳狀干涉條紋由(XD相機記錄。
[0008]在上述技術方案中，所述輸入干涉測速腔和輸出干涉測速腔分別包括一個干涉反射鏡、兩個小角度分束鏡和一個標準具，所述輸入干涉測速腔和輸出干涉測速腔的脈沖輸入輸出口分別設置一個小角度分束鏡，小角度分束鏡的一側設置標準具，另一側設置干涉反射鏡。
[0009]在上述技術方案中，所述小角度分束鏡的一側靠近輸出端位置設置干涉反射鏡，所述小角度分束鏡的一側靠近輸入端位置設置標準具。
[0010]在上述技術方案中，所述反射鏡與輸出干涉測速腔之間設置起偏器，所述輸出干涉測速腔的干涉反射鏡與小角度分束鏡之間設置波片，所述CCD相機與輸出干涉測速腔之間設置有渥拉斯頓棱鏡。
[0011]在上述技術方案，所述CXD相機為兩個
[0012]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:
[0013]本實用新型采用“雙干涉腔”結構解決超短脈沖時間相干性問題，實現(xiàn)超高時間分辨。本實用新型它具有兩個相同的測速干涉腔(VISAR)，延遲時間At相同。脈沖激光器發(fā)出的超短脈沖光經(jīng)過輸入干涉腔，變成間隔時間為At的兩個脈沖光，依次照射到靶面，從靶面返回的兩個脈沖光再經(jīng)過輸出干涉腔，最終產(chǎn)生四個脈沖光，中間兩個脈沖光在時間軸上基本重合，滿足時間相干性要求，能夠形成干涉，另外兩個脈沖光與其它三個中任意一個脈沖光都不滿足時間相干性要求，只是作為本底存在于干涉圖像中。最終用CCD相機記錄干涉條紋。它的時間分辨本領不是由CCD相機的曝光時間決定，而是依靠光源本身的開關性質，實現(xiàn)超高時間分辨。其時間分辨最終由超短脈沖的脈沖寬度決定，能夠做到百皮秒以下，甚至幾個皮秒。
[0014]此光路只產(chǎn)生一幅干涉條紋圖像?？梢圆捎酶道锶~變換方法對干涉條紋進行處理得到相位，進而得到全場速度分布。但其相位恢復精度最高約1/20條紋，對應速度分辨為1/20條紋常數(shù)。為此本實用新型采用起偏器、波片和偏振分束棱鏡的組合實現(xiàn)4幅具有一定相位差的空間相移的干涉條紋。在點VISAR基礎之上，用4個CCD相機來記錄4幅干涉條紋圖像，避免4根光纖傳像束和大感光面積且高像元數(shù)的CCD相機結構，簡化系統(tǒng)，方便調節(jié)，降低成本。
[0015]更優(yōu)的方案是用沃拉斯頓棱鏡取代傳統(tǒng)設計上的偏振分束棱鏡，實現(xiàn)P光和s光在同一方向上以一定夾角分開，使得僅用一個CCD相機就可以記錄兩路相移信號,兩個CCD相機就可以記錄四路相移信號。進一步簡化系統(tǒng)，方便調節(jié)，降低成本。
[0016]最后用相移算法對四路空間相移的干涉條紋圖像進行處理，處理是以4幅干涉圖像中匹配對應的像素點的4個強度數(shù)據(jù)為一組，用相移算法或者點VISAR的數(shù)據(jù)處理方法處理，即可以得到該像素點的相位，依次對圖像中各像素點進行處理，就可以得到整幅圖像條紋相位。能夠實現(xiàn)1/50條紋的相位恢復精度和相應1/50條紋常數(shù)的速度分辨。由于相移算法是對圖像中每一個像素點進行單獨處理，因此，對于條紋不連續(xù)、錯位、分裂等情況是免疫的。【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0018]圖1是傳統(tǒng)VISAR結構的空間相移面成像VISAR光路；
[0019]圖2是本實用新型超高時間分辨面成像VISAR光路；
[0020]圖3是本實用新型的空間相移面成像VISAR光路；
[0021]圖4是超高時間分辨空間相移面成像VISAR光路圖；
[0022]其中:L是激光器，B是分束器，M是反射鏡，I是成像鏡頭，T是待測靶面，C是CXD相機，P是起偏器，W是波片，PB是偏振分束棱鏡，WP是渥拉斯頓棱鏡，Ml、M2是干涉腔反射鏡，B1、B2、B3、B4是分束器，El、E2標準具。
【具體實施方式】
[0023]如圖2所示，本實用新型中的超高時間分辨面成像VISAR光路采用兩個干涉測速腔，脈沖激光源L發(fā)出的超短脈沖光經(jīng)過輸入干涉腔VISARl后由成像透鏡I聚焦到待測樣品T表面，待測樣品T表面的漫反射光由成像鏡頭I收集并用分束鏡B分光到反射鏡M上再反射到輸出干涉腔VISAR2中，在輸出干涉腔VISAR2中干涉形成梳狀條紋，再由CCD相機C記錄此梳狀條紋。脈沖激光器脈沖寬度根據(jù)時間分辨需求可以從皮秒量級到百皮秒量級。
[0024]如圖1所示，傳統(tǒng)技術記錄具有一定相位差的四幅相移干涉條紋圖像。從靶面返回的漫反射光，被起偏器P起偏成與豎直方向成45°的線偏振光、該線偏振光被分束鏡B3分成兩束，一束經(jīng)過標準具后到達另一個分束鏡B4，另外一束被反射鏡M2反射經(jīng)過1/4波片W變成橢圓偏振光后再到達分束鏡B4，兩束光在分束鏡B4處合束，再分別到達偏振分束棱鏡PB，由偏振分束棱鏡分成P光和s光，并形成干涉條紋，最終實現(xiàn)四路位相差一定的相移信號輸出，然后采用四個CCD相機C記錄干涉腔產(chǎn)生的二維梳狀條紋。
[0025]如圖3所示，在本實用新型中用渥拉斯頓棱鏡WP取代偏振分束棱鏡PB，實現(xiàn)P光和s光在同一方向上分離，分離角約為10°，然后用2個C⑶相機C就可以記錄四路相移干涉條紋圖像。因此，大大減低系統(tǒng)調節(jié)難度，降低了系統(tǒng)成本。四路相移干涉條紋的相移量通常選擇為90°。此相移干涉圖像采用四步相移算法或者VISAR數(shù)據(jù)處理方法來處理，按像素點進行處理。
[0026]如圖4所示，在前面圖2、圖3基礎之上，將兩個光路結合，得到超高時間分辨空間相移面成像VISAR，脈沖激光器L發(fā)出的超短脈沖激光輸入干涉測速腔，脈沖通過小角度分束器BI分為兩路脈沖，一路脈沖被小角度分束器BI反射到標準具E1，然后通過標準具El再次反射到小角度分束器B2，脈沖透射過小角度分束器B2依次經(jīng)過分束鏡和成像鏡頭照射到待測靶面T ;另一路脈沖透射過小角度分束器BI照射到干涉反射鏡Ml上，由干涉反射鏡Ml反射到小角度分束器B2上，再經(jīng)過小角度分束器B2反射依次經(jīng)過分束鏡B和成像鏡頭I到待測靶面T ;這樣待測靶面T就會有兩路波長相同的具有時間差的脈沖。由待測靶面T反射后的脈沖經(jīng)過成像鏡頭1、450分束鏡和反射鏡M由起偏器P起偏后進入輸出干涉測速腔，脈沖通過小角度分束器B3分為兩路脈沖，其中一路脈沖透射過小角度分束器B3照射到標準具E2上，經(jīng)過標準具E2反射到小角度分束器B4上，通過小角度分束器B4反射和透射分為兩路脈沖，兩路脈沖通過沃拉斯頓棱鏡WP由CCD相機記錄；小角度分束器B3分出的另一路脈沖通過小角度分束器B3反射到干涉反射鏡M2上，再經(jīng)干涉反射鏡M2反射透過波片W照射到小角度分束器B4上，通過小角度分束器B4反射和透射分為兩路脈沖，兩路脈沖通過沃拉斯頓棱鏡由C⑶相機記錄。
[0027]本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。
[0028]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，其特征為所述干涉儀包括脈沖激光源、輸入干涉測速腔、輸出干涉測速腔、分束鏡、反射鏡、成像鏡頭和CCD相機；所述脈沖激光源發(fā)射的脈沖進入輸入干涉測速腔，經(jīng)過輸入干涉測速腔輸出的脈沖由成像透鏡聚焦到待測靶面，從待測靶面發(fā)射回的脈沖由成像鏡頭收集并用分束鏡分光到反射鏡上再反射到輸出干涉腔，經(jīng)過輸出干涉測速腔輸出的梳狀干涉條紋由CCD相機記錄。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，其特征為所述輸入干涉測速腔和輸出干涉測速腔分別包括一個干涉反射鏡、兩個小角度分束鏡和一個標準具，所述輸入干涉測速腔和輸出干涉測速腔的脈沖輸入、輸出口分別設置一個小角度分束鏡，小角度分束鏡的一側設置標準具，另一側設置干涉反射鏡。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，其特征為所述小角度分束鏡的一側靠近輸出端位置設置干涉反射鏡，所述小角度分束鏡的一側靠近輸入端位置設置標準具。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，其特征為所述反射鏡與輸出干涉測速腔之間設置起偏器，所述輸出干涉測速腔的干涉反射鏡與小角度分束鏡之間設置波片，所述CCD相機與輸出干涉測速腔之間設置有渥拉斯頓棱鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種超高時間分辨空間相移面成像任意反射面速度干涉儀，其特征為所述CCD相機為兩個。
【文檔編號】G01S17/58GK203732722SQ201420000647
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權日:2014年1月2日
【發(fā)明者】劉壽先, 彭其先, 陳光華, 李澤仁, 鄧向陽, 雷江波, 王德田, 劉俊, 袁樹云 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所