摘 要: 基于传统速度干涉仪(VISAR)和光纤速度干涉仪(AFVISAR)的特点,提出了一种由光纤和光纤耦合器组成的工作波长为532 nm的新型全光纤速度干涉仪(NAFVISAR)。该干涉仪采用多模光纤器件构成分离系统,单模光纤器件组成核心部分。由于有两路携带不同信息的光束经不同路径传输到耦合器中,当这两路光束满足干涉条件时,可利用它们的干涉场信息来调解出被测靶的信息,从而区分波面的加减速变化。用该系统进行了Hopkinson森杆一维应力加载下的入射杆端面的速度剖面测试,实测速度最大值为49. 36 m /s,与理论速度的最大值50. 16 m /s基本符合,实现了全光纤速度干涉仪的实用化。
研究强冲击波作用下各种材料性能的变化过程和相应特性,是目前冲击波物理和爆轰物理学的基础和主要内容,对于强动载下的物质粒子速度或界面运动速度,采用主要测量仪器是“可测量任意反射面的速度干涉仪”,简称VISAR(velocity interferometer system for any reflector),该仪器可对高速运动事件进行非接触连续测试[1]。20世纪90年代初以色列人L. Levin提出一种全光纤速度干涉仪,简称AFVISAR(all fiberVISAR,AFVISAR在测量低速运动方面表现出了明显优势[2]。在强冲击作用,全光纤速干涉测试仪还存在一些问题。美国报道了采用光谱宽度为0. 08 pm、工作波长为1. 55μm的窄带半导体激光器(功率40mW),研制了基于传统VISAR测速原理的全光纤VISAR系统,该系统的条纹常数为0. 15~1. 5×104m·s-1每条纹。
目前国内外全光纤速度干涉仪工作在不可见的近红外波段,从而增加了实验操作的难度。为了早日将全光纤速度干涉测试技术推向实用化,我们提出了一种实用型全光纤速度干涉仪。这种新型全光纤速度干涉仪继承了传统VISAR的特点,同时借鉴和扩大了AFVISAR的长处,从而使该干涉仪的调试工作(包括更改条纹常数和调整测试探头)在几min内可以完成。运用这种新型AFVISAR测量了Hopkinson压杆加载下的入射杆的端面速度剖面,实验获得了初步成功。
1 VISAR测速原理
VISAR干涉测试技术是基于激光多普勒(Doppler)效应而建立起来的连续测量运动物体界面速度的一种精密测试技术。图1是传统VISAR系统原理图。频率为ν0的激光入射到以速度u(t)运动物体的表面上,由于多普勒效应,从物体表面反射回来的光信号频率
反射光与入射光频率之差称为多普勒频移Δν,它携带了物体运动速度的信息,由(1)式可知,频率的变化Δν为
式中:c为真空中的光速。从图1可见,从运动物体反射回来的包含了多普勒频移的激光被分束器1分为两束,其中一束经反射镜1进入具有延迟时间为τ的标准具,另一束则不经过标准具,当这两束激光在合束器2上相遇时,即可发生拍频相干,形成明暗相间的条纹。可以证明[3],t时刻的条纹总数N(t)与物体表面的运动速度u(t)之间的关系可表示为
式中:Fν=λ/2τ称为VISAR系统的条纹常数,它表示单位条纹变化所对应的速度改变量;λ为激光波长;δ为标准具材料的色散修正因子;τ为标准具的延迟时间。为了满足时间相干性的要求,激光的相干长度L0应满足L0>τc。
2 新型AFVISAR原理
新型全光纤速度干涉仪如图2所示,工作机制如下:激光器1发出的激光经1×2多模光纤分束器2传输到双透镜探头3并汇聚在被测靶面4上,返回的信号光经1×2多模光纤分束器2传输至1×3单模光纤分束器6,并被6分成三路,一路直接由光电探测器10接收作为检测光强端,一路经直接支路8到达耦合器9,另一路经延迟支路7延迟后到达耦合器9,直接支路与延迟支路的信号光在3×3单模光纤耦合器9内完成干涉过程,最后输出的三路干涉信号由光电探测器10探测。由图1可知,返回耦合器9上的光可以分为2种情况。
(1)靶面反射回的信号光波经1×3单模光纤分束器6,最后经延迟支路7到达耦合器9。
(2)靶面反射回的信号光波经1×3单模光纤分束器6,最后经直接支路8到达耦合器9。
由此可见,只要这两路经不同路径传输的光波满足干涉条件,就可在耦合器9中发生相干,而且由于它们携带有不同时刻的靶面运动信息,因此可以利用它们的干涉场信息解调出被测靶面速度。
从以上分析可知, 3×3耦合器的输出端的信号为[3]
式中:I0为光源的辐出度;δ=-λ0n0dndλλ=λ0;Fν=λ0c2n0ΔL,ΔL为延迟支路7与直接支路8的长度差,λ0为输入激光的光波长,n0为光纤媒质对光波λ0的折射率。三路输出端的光信号形式基本相同,只在初相位φ0上稍有差别[4](大约为120°,由3×3耦合器的分光比决定),我们正是利用这一点来区分自由面的加减速变化和提高数据处理精度的。该系统使用窄带光谱激光器,实验前通过改变延迟线的长度来改变条纹常数。另外这种系统使用光电倍增管作为探测器,大大拓宽了全光纤速度干涉仪的应用范围。
另外,理想的单模光纤,可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式,由于光纤总是同时存在着非对称性和弯曲,导致两正交模式的传播常数并不完全相同而引起偏振模色散[5],我们所用的单模光纤干涉系统由偏振模色散导致的时延小于10-13s,对于本文所用的条纹常数,延迟支路的延迟时间大于10-8s,从这一点考虑,可以忽略由于偏振色散而导致的时延对于计算结果的影响。
3 静态实验结果
为了检测新型全光纤速度干涉仪的可靠性,我们首先查看其静态信号,从示波器所取得的典型波形如图3所示。
图3中的1, 2和3所对应的曲线分别表示AFVISAR三路输出信号。实验波形表明,新型全光纤速度干涉仪的输出波形稳定,条纹对比度高,在一定硬件条件下,该系统完全能检测任意自由面速度。
4 动态测试结果
第二类实验用Hopkinson压杆作为低冲击加载装置,利用新型全光纤速度干涉仪测量了该压杆加载下的入射杆端面的速度剖面,实验装置如图4所示。撞击杆和入射杆由同种钢质材料制成,其速度由侧面光电计数器测量。当撞击杆撞击入射杆后,在入射杆中传入线弹性波,线弹性波传输到入射杆端面时,将引起端面的运动,其运动的特性由AFVISAR记录,所取得的信号如图5所示。从图5可以看出,新型全光纤速度干涉仪输出信号信噪比高,相位差清晰,表明新型全光纤速度干涉仪可以测试材料在强动载下的自由面速度。为了说明其测试精度,先对动态数据进行参数拟合,以求出信号真实相位差、基线位置及振幅比[6]。将所得参数进行数据处理,所得的自由面速度剖面如图6所示。
由于应变片实测的是入射杆边侧的应变信号,根据这种边侧的应变信号可以计算入射杆端面边侧的速度剖面。从两曲线的上升前沿可以看出,两者符合得很好,而且实测的速度最大值为49. 36 m/s,与理论值50. 16m/s非常接近,从而表明了新型全光纤速度干涉仪在强动载下测量低速自由面速度的能力。
5 结 论
实验测试结果与理论计算结果吻合得很好,说明了我们所研制的新型全光纤速度干涉仪能方便地测量在强动载下低速自由面速度。另外这种新型全光纤速度干涉仪具有以下特点: (1)该系统采用了工作在可见光波段的532 nm固体激光器作为光源,实验操作方便; (2)借鉴了宽光谱AFVISAR的长处,因此具有方便灵活的延时设置,也具有任意条纹常数,从而有效地保证了测试精度; (3)由于沿用了传统VISAR的测试探头,从而有效地保证了在被测表面倾斜情况下的测试可靠性,光源功率和探测器不再是制约AFVISAR发展的瓶颈问题,条纹可见度也得到了极大的提高。该干涉仪体积小巧,结构紧凑,造价低廉,表现出了广阔的实用前景。但也有一些新的技术问题有待解决,例如,需要调整并稳定单模光纤的偏振态以稳定信号的干涉对比度,提高信号光的耦合效率,系统的全光纤化等问题。
参考文献:
[1] BarkerLM,HollenbackR E.Laser interferometer formeasuringhigh velocitiesofany reflecting surface[J].JApplPhys, 1972,43(11): 4669—4675.
[2] Levin L, Tzach P, Shamir J. Fiber optical velocity interferometerwith very short coherence length light source[J].RevSci Instrum, 1996,67(4):1434—1437.
[3] 胡绍楼.激光干涉测速技术[M].北京:国防工业出版社, 2001. 142—146. (Hu S L. Laser interferometry formeasuring velocities. Beijing: Na-tionalDefence Industry Press, 2001. 142—146)
[4] Sheem SK. Fiber-optic gyroscopewith [3* 3] directional coupler[J].ApplPhysLett, 1980,37(10): 869—871.
[5] Sheem SK,GiallorenzlTG. Polarization effects on single-mode optical fiber sensors[J].ApplPhysLett, 1979,35(12): 914—917.
[6] 陈光华,李泽仁,刘元坤.VISAR数据处理新方法及程序[J].爆炸与冲击, 2001,21(4): 315—320. (Chen G H, Li Z R, Liu Y K.VISAR datareductionmethod and program.Explosion and ShockWaves, 2001,21(4): 315—320)
本文作者：翁继东, 谭 华, 胡绍楼, 马 云, 王 翔
