[发明专利]一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉测试技术领域，具体涉及能够实现时间和空间分辨速度测量的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪。

背景技术

目前基于成像原理的激光干涉测速技术主要有线成像任意反射面速度干涉仪（VISAR）和分幅面成像任意反射面速度干涉仪，它们是传统点VISAR技术的发展，用梳状干涉条纹取代“牛眼”状环纹，用扫描相机或者分幅相机记录一维或者二维梳状干涉条纹随时间的变化过程，记录像面与靶面具有物像关系，能够实现空间分辨。线成像VISAR能够测量样品表面一条线上各点速度随时间变化的过程；分幅面成像VISAR能够测量多个时刻二维样品表面各点的绝对速度分布或者相对速度分布。分幅面成像VISAR技术（分幅面成像任意反射面速度干涉仪诊断激光驱动飞片全场速度，光学学报，2013，33（9））采用连续激光照明，超高速光电分幅相机记录二维空间分辨的梳状干涉条纹，但受到分幅相机曝光时间限制，速度测量时间分辨通常为1ns～5ns，难以满足激光驱动及各种碰撞试验的超快过程中材料的相变、层裂的亚纳秒甚至皮秒时间分辨要求。另外分幅面成像VISAR技术每一个时刻只记录一幅干涉条纹图像，需采用傅里叶变换方法对整幅图像进行相位分析，相位恢复精度只有1/20条纹，相应的速度分辨对应于1/20条纹常数。且由于傅里叶变换方法是对整幅图像而不是每个像素进行分析，因此对于超高速过程中的条纹错位、分裂等情况，是无能为力的。

通常超短脉冲的脉冲宽度是百皮秒以下，而VISAR干涉腔中标准具引起的两臂延迟时间差在百皮秒以上(300m/s/Fr的条纹常数对应于857 ps)。很显然直接用超短脉冲激光照明靶面，从靶面返回的漫反射光是无法在VISAR干涉腔中形成干涉。需要有新的结构来实现超短脉冲在VISAR干涉腔中的干涉。

传统点VISAR利用波片和偏振分束棱镜产生四路位相差为90°的“牛眼”状干涉信号，分出的光束在两对正交方向上。在点VISAR基础之上发展出一种线成像VISAR，用光纤传像束将偏振棱镜分开的四路相移干涉信号导入到扫描相机狭缝上。借鉴这样的结构实现空间相移面成像VISAR，则需要用到4根极大截面细芯径光纤传像束和1个大感光面积且高像元数的CCD相机，系统复杂、调节困难、成本昂贵。

发明内容

本发明的目的是在现有技术基础上提出一种光路，实现超高时间分辨；

本发明的另一目的是在超高时间分辨的基础上实现以空间相移面成像VISAR实现更高的速度分辨。

本发明采用的技术方案为：一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，所述干涉仪包括脉冲激光源、输入干涉测速腔、输出干涉测速腔、分束镜、反射镜、成像镜头和CCD相机；所述脉冲激光源发射的脉冲进入输入干涉测速腔，经过输入干涉测速腔输出的脉冲由成像透镜聚焦到待测靶面，从待测靶面发射回的脉冲由成像镜头收集并用分束镜分光到反射镜上再反射到输出干涉腔，经过输出干涉测速腔输出的梳状干涉条纹由CCD相机记录。

在上述技术方案中，所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔分别包括一个干涉反射镜、两个小角度分束镜和一个标准具，所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔的脉冲输入输出口分别设置一个小角度分束镜，小角度分束镜的一侧设置标准具，另一侧设置干涉反射镜。

在上述技术方案中，所述小角度分束镜的一侧靠近输出端位置设置干涉反射镜，所述小角度分束镜的一侧靠近输入端位置设置标准具。

在上述技术方案中，所述反射镜与输出干涉测速腔之间设置起偏器，所述输出干涉测速腔的干涉反射镜与小角度分束镜之间设置波片，所述CCD相机与输出干涉测速腔之间设置有渥拉斯顿棱镜。

在上述技术方案中，所述CCD相机为两个。

一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪光路，包括脉冲激光源L、两个干涉测速腔、分束镜B、反射镜M、成像镜头I和CCD相机，所述光路分为两个部分，即输入干涉测速腔部分和输出干涉测速腔部分：

输入干涉腔部分：

脉冲激光源L发射的脉冲进入输入干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B1分为两路脉冲，一路脉冲被小角度分束器B1反射到标准具E1，然后通过标准具E1再次反射到小角度分束器B2，脉冲透射过小角度分束器B2依次经过分束镜和成像镜头聚焦照射到待测靶面T；

另一路脉冲透射过小角度分束器B1照射到干涉反射镜M1上，由干涉反射镜M1反射到小角度分束器B2上，再经过小角度分束器B2反射依次经过分束镜B和成像镜头I聚焦到待测靶面T；

输出干涉腔部分：