用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪

设计并建立了一套完整的线成像激光干涉测速系统,用于激光驱动技术中小尺寸飞片或样品一条线上所有点的速度测量。它将激光压缩为线状照射到靶面,用成像物镜收集靶面的漫反射光并传递到广角迈克尔逊干涉腔中形成干涉,产生的梳妆干涉条纹作为信号载体,用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化,用不同位置的条纹移动量反推出不同位置的速度分布,实现空间分辨。系统具有50 ps响应时间和20μm空间分辨能力。用该系统测量了激光驱动飞片的速度场,清晰的扫描干涉图像直观显示了飞片的运动过程和各点的速度差异。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理,得到了靶面一条线的速度和位移分布。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

激光驱动飞片的线面成像VISAR测速技术

以激光驱动飞片速度场诊断为例,展示线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)技术在超高速碰撞研究中的应用前景。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹随时间的变化,实现靶面一条线上各点速度历程和多个时刻二维靶面上所有点速度相对分布的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铝膜飞片的速度场,直观给出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR技术可以为激光驱动飞片、超高速碰撞等领域的理论研究和数值模拟提供有效比对实验数据。     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

相位调制激光多普勒频移测量方法的改进

本文对现有相位调制激光多普勒频移测量方法进行了改进,通过定义新的鉴频参量来同时利用相位调制信号直流和交流分量中的有用信息进行多普勒频移测量.由于相位调制信号直流分量中包含着调制信号光的Fabry-Perot干涉仪光强透过率,所以这一改进本质上是将基于Fabry-Perot干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法的优势引入到相位调制测量方法中,以提高其自身的性能.理论上证明改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法无需对信号光的光强进行测量,所以可以进一步简化探测系统的结构和较少噪声混入的通道.另外,通过对改进前后鉴频和测量灵敏度曲线进行对比,还证明了其具有更高的测量灵敏度和动态范围.实验上对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,不但证明了理论的正确性,而且证明了改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法,测量动态范围提高约1倍,测量标准偏差降低约35%.     

基于时域剪切干涉的纳秒脉冲相位测量技术

提出一种时域剪切干涉技术测量纳秒激光脉冲的时间相位分布,该方法将待测脉冲分为彼此之间有数百个皮秒延迟量的两个脉冲;并在对其中一个脉冲加入适量的频移后和另一个脉冲合束,得到时域干涉条纹;最后采用相适应的算法,从记录的时域条纹计算得到纳秒激光脉冲的时间相位分布,并进一步计算得到激光脉冲的精细光谱结构.在对测量原理进行系统分析的基础上,利用数值模拟和实验对该相位测量技术的可行性进行了验证,并系统分析了其测量误差和非理想条件下的各种干扰因素的影响.由于该测量技术不采用任何非线光学方法,可对任何波长的激光脉冲进行测量,具有光路简单、测量精度高和适用范围广等优点,为需要对纳秒激光脉冲的时域相位分布进行测量的高功率激光等领域提供了一种简单便捷的测量新技术.     

基于法布里-珀罗标准具测量散射光谱的频移和线宽

激光在介质中传播易发生散射,不同波长的散射光经过法布里-珀罗标准具多光束干涉后,会发生等倾干涉而形成半径不同的同心圆环.根据等倾干涉产生亮条纹的条件,获得同一波长的散射光相邻两级干涉条纹半径的数量关系,以及同一级干涉条纹中不同波长散射光的频率间隔公式,便可获得散射光谱的频移和线宽.     

强耦合光机械腔中的简正模式分裂和冷却

研究由辐射压力与驱动Fabry-Perot光学腔相耦合而产生的腔光机械动力学行为. 通过量子朗之万方程具体研究了机械振子的涨落光谱、机械阻尼与共振频移和基态冷却. 随着输入激光功率的增加,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂的现象,并且数值模拟结果和实验结果相符合. 同时推导了有效机械阻尼和共振频移. 红移边带导致了机械模的冷却,蓝移边带引起了机械模的放大. 此外,引入一种近似机制来研究振子的基态冷却,并且考虑在解析边带机制下简正模式分裂对机械振子冷却的影响. 最后,数值讨论了初始浴温度、输入激光功率和机械品质因数这三个因素对机械振子冷却的影响. 关键词： 腔光机械 辐射压力 简正模式分裂 冷却     

利用啁啾激光调制分子谐波信号

数值研究了啁啾激光驱动H_2~+辐射谐波的特点.结果表明,(1)在低强度和高强度激光驱动下,谐波光谱分别呈现红移和蓝移现象.引入正负向啁啾参数后,谐波频移和谐波辐射强度都可以得到调控.(2)谐波光谱在高强度激光驱动下呈现非奇次谐波.理论分析表明,非奇次谐波产生的原因是双H核频移不一致所导致的不对称相消干涉引起的.     

一种新的Fabry-Perot干涉条纹处理方法

介绍了一种提取Fabry-Perot(法布里-帕罗)干涉条纹圆心点坐标和条纹半径的新方法。首先对干涉图像依次进行二值化处理,对所得到的条纹强度曲线进行均平滤波和自适应滤波,根据条纹灰度值强度余弦函数分布的特点,对条纹灰度值数据进行最小二乘法拟合,获得条纹强度峰值坐标,通过精确的迭代算法,进而获得Fabry-Perot干涉条纹圆心点的坐标;然后再对干涉条纹进行圆周积分,从而可以确定每级Fabry-Perot干涉条纹的半径长度。该方法可提高计算精度,减小计算误差。     

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

 自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达，用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析，由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大，在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

双边缘技术多普勒测风激光雷达标准具的优化

 优化了基于双边缘技术的直接测风多普勒激光雷达中F-P标准具的工作参数。确定激光谱宽后，选择适当的F-P标准具自由谱间距，可正确消除瑞利背景噪声的影响。分析了标准具镜面缺陷、非严格平行和入射光束发散角对其透过率曲线的影响。将标准具透过率函数表达为唯一系统参数，即反射精细度的函数；通过计算散粒噪声极限时的相对测量误差，可确定最优反射精细度以及激光频率相对标准具透过率中心频率的最佳偏置；由最优反射精细度可得到入射到标准具光束的最大发散角和标准具的最小通光口径。     

基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法

提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级. 关键词： 多普勒频移 相位调制 Fabry-Perot干涉仪 拍频     

Confocal Fabry-Perot interferometer for frequency stabilization of laser

The frequency shift of laser source of Doppler lidar is required in the range of a few megahertzs. To satisfy this demand, a confocal Fabry-Perot (F-P) interferometer was manufactured as the frequency standard for frequency stabilization. After analyzing and contrasting the center frequency shift of confocal Fabry-Perot interferometers that are made of three different types of material with the change of temperature, the zerodur material was selected to fabricate the interferometer, and the cavity mirrors were optically contacted onto the end of spacer. The confocal Fabry-Perot interferometer was situated within a double-walled chamber, and the change of temperature in the chamber was less than 0.01 K. The experimental results indicate that the free spectral range is 500 MHz, the full-width at half maximum is 3.33 MHz, and the finesse is 150.     

基于自发辐射光谱的超声速流场测速技术

等离子体状态参数测量是研究等离子体特性,开展等离子体模拟再入环境、等离子体隐身、等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。利用等离子体射流的自发辐射光谱,提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。首先,测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱,选择696.54 nm的特征谱线,作为等离子体发生器测速实验的运动光源;其次,使用光谱仪、传能光纤、EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪,设计了高温等离子体速度测量光路;最后,在氩壁稳电弧等离子体发生器上,开展了超声速射流速度测量实验。实验中,同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱,分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪,经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤,从而消除其他波长的自发辐射光的影响;光谱仪输出的特征辐射光谱,经光纤传输及透镜整形成平行光后,精细度30、自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪,形成多光束干涉圆环,并由EMCCD相机采集,实现对特征谱线的超高精度分辨;根据多普勒原理,不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同,EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同,通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量,可测得高温等离子体射流流动速度。针对同一喷管开展了两车对比试验,实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1,具有较好的重复性。结果表明基于多普勒效应,利用高温气体自发辐射光谱,结合高光谱分辨F-P干涉仪,能够实现高温等离子体射流速度的精确测量,该方法属于非接触测量,不干扰流场,尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。     

Determination of flow velocity vector based on Doppler shift and spectrum broadening with optical coherence tomography

We describe a technique that uses Doppler optical coherence tomography to estimate accurately the scattering fluid-flow velocity without a priori knowledge of the Doppler angle. Our technique is based on the combined use of the Doppler shift on the interference signal and the Doppler spectrum broadening caused by the particles moving across the probe beam. It is shown that the estimated values of the Doppler angle and average fluid velocity from the experiments agree well with the preset values.     

计算电容中Fabry-Perot干涉仪测量位移的相位修正方法

计算电容是复现电学阻抗单位的基准装置, 利用计算电容值和量子霍尔电阻值可以准确计算出精细结构常数α. 计算电容的本质是通过高准确度地测量屏蔽电极的位移, 实现对电容量值的测量. 因此, 基于Fabry-Perot干涉仪的精密电极位移测量系统是计算电容装置中最为核心和关键的部分. 在Fabry-Perot干涉仪测位移过程中, 由于高斯激光束存在轴向Gouy相位, 该附加相位将会引起相邻干涉条纹对应位移的变化(大于或者小于λ/2), 导致位移的测量值与实际值存在偏差. 本文阐述了高斯激光场的传播特性, 利用高斯激光束在自由空间和透过薄透镜复振幅的变换关系, 建立了计算电容装置中Fabry-Perot干涉仪透射光束的传输模型; 通过对不同腔长的Fabry-Perot干涉仪透射光场相位的分析, 获得了高斯激光束轴向Gouy相位修正与传输距离的关系. 结果表明, 当腔长从111.3 mm移动至316.3 mm时, 在接收距离为560 mm的情况下, 高斯光束轴向Gouy 相位引起的位移修正的绝对值最小为0.7 nm, 其相对相位修正量|δL|/|ΔL| = 3.4×10^-9.     

Theoretical description of improving measurement accuracy for incoherence Mie Doppler wind lidar

For the nonlinearity of Fabry-Perot interferometer(FPI) transmission spectrum,the measurement uncertainty of incoherent Mie Doppler wind lidar based on it increases evidently with the increase of backscattering signal Doppler shift.A method of repeating the use of the approximate linear part of FPI transmission spectra for reducing the high uncertainty of a big Doppler shift is proposed.One of the ways of realizing this method is discussed in detail,in which the characteristics of FPI transmission spectrum changing with thickness and incident angle are utilized simultaneously.Under different atmosphere conditions,it has been proved theoretically that the range of measurement uncertainty drops to one-sixth while its minimum has no serious change.This method can be used not only to guide the new system design,but also as a new working way for the fabricated system.     

基于高分辨谱估计方法的快速运动目标分析*

水下运动目标产生的声场由一系列不同模态的简正波组成,不同模态简正波具有不同的多普勒频率移动,携带了运动目标速度、频率等参数的信息。针对快速运动目标水下辐射声场的这一特点,采用高分辨谱估计Burg算法估计不同模态简正波多普勒频移,进而获得运动目标的速度、频率参数估计。数值仿真结果表明,高分辨谱估计Burg算法获得了高频率分辨率,在较短的观测时间或是阵元不足的情况下,较准确地估计了多普勒频移,获得了目标运动速度和初始频率等运动参数。