ДВУХКАНАЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ
TWO-CHANNEL INTERFEROMETRIC SYSTEM FOR INVESTIGATING SHOCK-WAVE PROCESSES

Область техники
Заявляемое изобретение относится к устройствам для измерения скорости движения поверхности исследуемых образцов. Точнее к интерферометрам, принцип работы которых основан на регистрации доплеровского сдвига частоты в отраженном лазерном излучении.
Изобретение может быть использовано для исследования упругопластических и прочностных свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках путем анализа результатов непрерывного измерения скорости движения поверхности исследуемого образца.
Предшествующий уровень техники
Аналогами по технической сущности к предлагаемому изобретению являются лазерные оптические интерферометрические системы, построенные на основе интерферометров VISAR, принцип работы которых основан на регистрации доплеровского сдвига частоты.
В состав таких устройств входят лазер - источник одномодового одночастотного когерентного излучения, исследуемый образец, оптический интерферометр, построенный по схеме VISAR, а также система регистрации интерференционных сигналов, как описано в патенте США №5,481,359, автор L.M. Barker "Multi-etalon VISAR interferometer having an interferometer frame of high stiffness with a liner elongated slid bar"; в патенте США №7,295,321 В, авторы B.R. Marshall, et al. "VISAR interferometer with field elements"; в статье "Velocity Sensing Interferometer (VISAR) Modification», автор Hemsing W.F., журнал Rev.Sci.Instrum. V.50, No.1, 73-78, 1979; в статье "Fixed Cavity VISAR" авторы O.B. Crump, P.L. Stanton, W.C. Sweatt, журнал Sandia Report, SAND92-0162.
Источник излучения, исследуемый образец, интерферометр и система регистрации оптически связаны с помощью оптоволоконной линии связи (ВОЛС), как описано в статье «Двухканальный лазерно-интерферометрический комплекс VISAR для исследования свойств материалов при ударно-волновом нагружении», авторы А.В. Павленко, С.Н. Малюгина и др., журнал «Приборы и техника эксперимента», №2, 2013, с. 127-129; в статье «Multipoint velocity interferometer system for any reflector», авторы Zeren Li, et al. в журнале Review of Scientific Instruments, v. 70, №10, 1999; в патенте США №5,870,192.
Источник излучения, исследуемый образец, интерферометр и система регистрации могут быть связаны с помощью других оптических элементов, позволяющих транспортировать лазерное излучение к образцу, а отраженное от образца излучение в интерферометр, как описано в статье «Velocity Sensing Interferometer (VISAR) Modifications автор Hemsing W.F., журнал Rev.Sci.Instrum. V.50, No.1, 73-78, 1979; в статье «Imaging VISAR diagnostic for the National Ignition Facility (NIF)», авторы R.M. Malone, et al., сборник докладов конференции SPIE High-Speed Photography and Photonics Conference, 2004.
Достоинствами приведенных выше устройств являются возможность подбора чувствительности интерферометра к условиям эксперимента, способность измерения скорости любой отражающей поверхности, включая диффузно отражающую, высокое временное и амплитудное разрешение.
Недостатком таких устройств является потеря интерференционных биений (биение - смена порядка интерференции) при быстром изменении измеряемой скорости и, как следствие, неоднозначность в определении скорости движения образца. Потеря интерференционных биений возникает, когда смена порядка интерференции происходит быстрее временного разрешения системы регистрации интерферометра.
Для устранения данного недостатка используются два интерферометра VISAR с разной чувствительностью (постоянной), как описано в каталоге VALYN V.I.P., автор Л.М. Баркер, web site - www.valynvisar.com; в статье «Двухканальный лазерно-интерферометрический комплекс VISAR для исследования свойств материалов при ударно-волновом нагружении», авторы А.В. Павленко, С.Н. Малюгина и др., журнал «Приборы и техника эксперимента», №2, 2013, с. 127-129; в статье "Recovering a short timescale signal from a pair of long-delay VISARs", автор David J Erskine, труды конференции Shock Compr. Cndsd. Matter, Chicago, June 2011.
Однако такие устройства, также как и другие аналогичные устройства, не обеспечивают максимально эффективное использование отраженного лазерного излучения с доплеровским сдвигом частоты. Излучение, отраженное от исследуемой поверхности, является неполяризованным или частично поляризованным. Для корректной и эффективной работы системы поляризационного кодирования и декодирования интерферометра VISAR на входе в интерферометр размещается поляризатор, плоскость поляризации которого устанавливается под углом 45°, как описано в статье «Применение лазерных интерферо-метрических измерителей скорости во взрывных экспериментах», авторы М.И. Беловолов, В.И. Вовченко, Г.И. Канель и др., журнал Технической Физики, Том 57, №5, 1987; в статье «Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface», авторы L.M. Barker, R.E. Hollenbach, журнал Appl. Phys., v.43, №11, 1972. Для измерений используется оптическое излучение одной из поляризаций, т.е. половина мощности излучения теряется. Также следует отметить, что в таких системах отраженное лазерное излучение, несущее информацию о движении поверхности, собирается с близких точек поверхности, что вносит неопределенности при исследовании материалов с неоднородной структурой или анизотропией.
В качестве прототипа была выбрана интерферометрическая система, описанная в статье «Four-point bisensitivity velocity interferometer with a multireflection etalon», авторы Qixian Peng, Ruchao Ma, Zeren Li, Guanghua Chen, журнал Review of Scientific Instruments, Vol. 78, 113106, 2007, страницы (113106-1)-(113106-4).
Интерферометрическая система в прототипе состоит из двух оптических интерферометров с одним бичувствительным эталоном. Интерферометры построены на основе схемы двухплечевого интерферометра push-pull VISAR. Отраженное от исследуемого образца лазерное излучение с доплеровским сдвигом частоты делится с помощью призмы Волластона на два пучка. Угол разведения пучков не более 30°. Пучки проходят через эталон под разными углами и, следовательно, различными путями. Чувствительность интерферометров определяется числом прохода излучения через эталон. Пучок с меньшим углом падения имеет шестикратный проход через эталон, а с  углом падения - двукратный. Двухканальная интерферометрическая система обеспечивает измерение скорости в одной точке поверхности, что устраняет неоднозначность в определении скорости поверхности даже при исследовании материалов с неоднородной структурой.
1
2
1
2
Недостатком данной интерферометрической системы является то, что чувствительности интерферометров взаимозависимы, реализована схема, при которой отношение VPF/VPF ~ 3,5, где VPF и VPF - это постоянные интерферометров, которые определяют чувствительности интерферометров (VPF - Velocity per fringe constant).
1
2
1
2
1
2
1
2
Применение интерферометров с взаимозависимыми постоянными не обеспечивает возможность независимого подбора требуемых эталонов и, следовательно, необходимого отношения VPF/VPF для однозначного восстановления профилей скорости поверхности исследуемых образцов в условиях эксперимента. Условия эксперимента определяют скорость движения поверхности исследуемого образца, которая может варьироваться от нескольких метров в секунду до десятков километров в секунду при длительности регистрируемых процессов от единиц наносекунд до десяток микросекунд. При быстром изменении измеряемой скорости, когда смена интерференционных биений происходит быстрее, чем временное разрешение системы регистрации интерферометра, имеет место потеря интерференционных биений. В двух интерферометрах с разными постоянными VPF и VPF при обработке данных с доплеровским сдвигом частоты смена порядка интерференции будет проходить в зависимости от значений VPF и VPF, поэтому число потерянных биений будет отличаться. Число потерянных в каждом оптическом интерферометре биений подбирают так, чтобы временные профили измеряемой скорости совпадали до и после момента времени, когда реализовалась потеря биений. Для обеспечения возможности восстановления профилей скорости необходимо, в зависимости от диапазона измеряемых в конкретном эксперименте скоростей, использовать подобранные постоянные интерферометров с различным отношением VPF/VPF.
Кроме того, многократный проход пучков через эталон требует использование эталонов большей апертуры. Это, в свою очередь, затрудняет изготовление поверхностей эталона требуемого качества (λ/20) и повышает стоимость. Также многократный проход увеличивает потери излучения за счет поглощения, следовательно, увеличивает разность интенсивностей излучения в плечах интерферометра, тем самым ухудшая контраст интерференционной картины. Большая разница интенсивностей компенсируется путем повышения коэффициента усиления фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и повышению погрешности измерения.
Плечи интерферометров в данной интерферометрической системе образуют пленочные зеркала (пленочное покрытие на гранях эталона) - полностью отражающие и полупрозрачные пленки. Применение данных видов покрытий не позволяет обеспечить высокий коэффициент отражения излучения, что снижает эффективность использования отраженного от исследуемого образца излучения. К тому же, используемая в данной системе полупрозрачная пленка не обеспечивает равномерного разделения излучения в плечи интерферометра по интенсивности, что также ухудшает контраст интерференционной картины и приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и повышению погрешности измерения скорости исследуемого образца.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка прецизионного устройства, обеспечивающего однозначное определение скорости исследуемого образца в условиях эксперимента при потере интерференционных биений, при этом обеспечивающего эффективное использование мощности оптического излучения и высокий контраст интерференционной картины.
1
2
Техническим результат выражается в возможности подбора постоянных интерферометров и необходимого отношения VPF/VPF под условия эксперимента для однозначного восстановления профилей скорости за счет использования двух независимых каналов; обработке идентичных данных о доплеровском сдвиге частоты, взятых с одной точки поверхности, при эффективном использовании отраженного лазерного излучения, и обеспечении высокого контраста интерференционной картины путем минимизации разности интенсивностей излучения в плечах интерферометра.
1
2
Технический результат достигается тем, что в двухканальной интерферометрической системе, состоящей из источника одномодового одночастотного когерентного излучения, оптически связанного с исследуемым образцом, узла разделения отраженного от исследуемого образца излучения и двух оптических интерферометров, обрабатывающих идентичные интерферометрические данные с доплеровским сдвигом частоты, каждый из которых выполнен по схеме двухплечевого интерферометра VISAR (push-pull), согласно изобретению узел разделения излучения, отраженного от исследуемого образца, снабжен поляризационным светоделителем, обладающим возможностью разведения поляризованных пучков на угол 90°. На пути этих разделенных пучков установлены ротаторы. Плечи каждого независимого оптического интерферометра образованы неполяризационным светоделителем и зеркалами с многослойным диэлектрическим напылением на рабочую длину волны излучения. При этом интерферометры снабжены отдельными независимыми друг от друга эталонами, обеспечивающими необходимое отношение постоянных VPF/VPF.
Поляризационный светоделитель с возможностью разведения поляризованных пучков на угол 90° выполнен в виде кубика.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Плечи оптических интерферометров образованы светоделителем, выполненным в виде неполяризационного кубика, и зеркалами с многослойным диэлектрическим напылением на рабочую длину волны излучения. При этом интерферометры снабжены отдельными независимыми друг от друга эталонами разной длины, являющимися линиями задержки, обеспечивающими необходимое отношение VPF/VPF. Эталоны могут быть выполнены из различных материалов, что обеспечивает подбор постоянных VPF и VPF. В двух интерферометрах с разными постоянными VPF и VPF, при обработке данных с доплеровским сдвигом частоты, смена порядка интерференции будет проходить в зависимости от значений VPF и VPF, поэтому число потерянных биений будет отличаться. Число потерянных в каждом оптическом интерферометре биений подбирают так, чтобы временные профили измеряемой скорости совпадали до и после момента времени, когда реализовалась потеря биений. Для обеспечения возможности восстановления профилей скорости необходимо, в зависимости от диапазона измеряемых в конкретном эксперименте скоростей, использовать подобранные постоянные интерферометров с различным отношением VPF/VPF.
Разделение отраженного от исследуемой поверхности лазерного излучения с доплеровским сдвигом частоты в интерферометры осуществляется поляризационным светоделителем в виде кубика, на выходе которого образуются два пучка с идентичными данными о доплеровском сдвиге частоты, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и разведенные на угол 90°. Для поворота плоскости поляризации на угол 45° на пути каждого пучка устанавливают ротаторы. Использование поляризационного светоделителя, обеспечивающего равномерное деление поляризационных компонент, и ротаторов необходимо для корректной работы системы поляризационного кодирования и декодирования интерферометров.
1
2
1
2
Поляризационный кубик с большим углом разведения поляризованных пучков позволяет использовать два интерферометра с разными эталонами и, следовательно, независимыми друг от друга постоянными VPF и VPF, обрабатывающими идентичные данные о доплеровском сдвиге частоты. Это позволяет подбирать постоянные интерферометров и необходимое отношение VPF/VPF под условия эксперимента для однозначного определения скорости при потере интерференционных биений.
Использование двух независимых интерферометров позволяет сформировать плечи интерферометров диэлектрическими зеркалами и светоделителем в виде кубика с многослойным диэлектрическим напылением. Зеркала с диэлектрическим напылением обеспечивают более высокий коэффициент отражения на рабочей длине волны излучения по сравнению с пленочными зеркалами, что позволяет эффективно использовать отраженное от исследуемого образца лазерное излучение с доплеровским сдвигом частоты. Использование в оптических интерферометрах светоделителя в виде кубика обеспечивает равномерное разделение излучения в плечи интерферометров по интенсивности. Сочетание обозначенных выше двух условий обеспечивает высокий контраст интерференционной картины за счет минимизации разности интенсивностей излучения в плечах интерферометров и повышает точность измерений.
В оптических интерферометрах двухканальной интерферометрической системы используются эталоны с меньшей апертурой, что уменьшает стоимость системы при изготовлении поверхностей эталонов с требуемым качеством (λ/20).
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата - создание интерферометрической системы с двумя независимыми интерферометрическими каналами, обрабатывающими идентичные данные с доплеровским сдвигом частоты, обеспечивающей подбор чувствительности интерферометров под условия эксперимента с возможностью однозначного восстановления профилей скорости, при эффективном использовании отраженного лазерного излучения, и обеспечении высокого контраста интерференционной картины путем минимизации разности интенсивностей излучения в плечах интерферометра.
В предлагаемом устройстве, кроме обеспечения однозначного определения скорости при потере интерференционных биений, обеспечения эффективного использования мощности оптического излучения и высокого контраста интерференционной картины, предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность изготовления поверхностей эталонов с требуемым качеством (λ/20) с меньшими затратами за счет уменьшения апертуры эталонов. Уменьшение апертуры эталонов осуществляется за счет двухкратного прохождения лучей через эталоны.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известного отличительного признака, но и зависит от взаимодействия его с другими существенными признаками заявляемого устройства. Это позволяет устройству расширить свои функциональные возможности и обеспечить высокий технический результат однозначного определения скорости движения свободной поверхности исследуемых образцов при эффективном использовании мощности оптического излучения, повышении точности измерений и уменьшении стоимости устройства. Расширенная функция, обеспечиваемая известным отличительным признаком, и получение неожиданного результата от использования этого признака в совокупности с другими признаками свидетельствуют о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".
Краткое описание чертежа
На чертеже показана оптическая схема предлагаемой интерферометрической системы. Предлагаемое устройство состоит из источника когерентного излучения 1, исследуемого образца 3, узла разделения 5 оптического излучения, двух независимых оптических интерферометров 9, 10 и системы регистрации 16.
В качестве источника 1 оптического когерентного излучения 2 служит непрерывный одномодовый одночастотный лазер с λ=532 нм.
Узел разделения 5 отраженного от исследуемого образца 3 излучения состоит из телескопа 6, поляризационного светоделителя 7 и двух ротаторов 8. Узел разделения 5 излучения, в отличие от используемой в прототипе призмы Волластона, делит поступающее в него излучение на два ортогонально поляризованных пучка, разведенных на угол 90°.
1
2
1
2
Большой угол разведения поляризованных пучков позволяет использовать два оптических интерферометра 9 и 10 с независимыми друг от друга постоянными VPF и VPF с необходимым отношением VPF/VPF, что отличает предлагаемое устройство от прототипа и обеспечивает однозначное восстановление профилей скорости при потере интерференционных биений.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве совместно с поляризационным светоделителем 7 используются ротаторы 8, которые устанавливаются на пути разделенных пучков и обеспечивают поворот плоскости поляризации излучения на угол 45°, обеспечивая равномерное деление поляризационных компонент, что необходимо для корректной работы системы поляризационного кодирования и декодирования интерферометров 9 и 10, состоящих из поляризационной пластины 14 и поляризационных кубиков 15.
Оптические интерферометры 9 и 10 выполнены по схеме двухплечевого интерферометра VISAR (push-pull). Использование двух независимых интерферометров 9 и 10 позволяет сформировать плечи интерферометров зеркалами 13 и неполяризационным кубиком 11 (светоделителем) с многослойным диэлектрическим напылением на рабочую длину волны излучения в отличие от используемых в прототипе пленочных зеркал (пленочное покрытие на гранях эталона). Это обеспечивает максимально эффективное использование отраженного лазерного излучения с доплеровским сдвигом частоты и высокий контраст интерференционной картины за счет минимизации разности интенсивностей излучения в плечах интерферометров 9 и 10 и повышает точность измерений.
1
2
В одном плече интерферометров 9 и 10 перед зеркалом 13 расположен эталон 12, являющийся линией задержки, в другом плече - поляризационная пластина 14, являющаяся элементом поляризационного кодирования. В оптических интерферометрах 9 и 10 устанавливают эталоны 12, которые имеют различную длину, таким образом, интерферометры 9 и 10 имеют разные постоянные, что обеспечивает подбор необходимого отношения VPF/VPF, следовательно, надежность при восстановлении потерянных интерферометрических биений. Система поляризационного декодирования в интерферометре VISAR состоит из четырех поляризационных кубиков 15.
Устройство работает следующим образом.
Когерентное лазерное излучение передается на поверхность исследуемого образца 3 по волоконно-оптической линии (ВОЛС) 2. Отраженное от поверхности образца 3 излучение по ВОЛС 4 поступает в узел разделения излучения 5.
1
2
Телескоп 6 формирует параллельный световой пучок, который направляется на поляризационный светоделитель 7. Из светоделителя 7 выходят два пучка с ортогональными линейными поляризациями, каждый из которых проходит через отдельный ротатор 8. При этом происходит поворот плоскости поляризации в каждом пучке на угол 45°. Далее пучки поступают на входы в оптические интерферометры 9 и 10 с разными постоянными VPF и VPF.
В интерферометрах 9, 10 неполяризационный светоделитель 11 расщепляет пучок на два пучка равной интенсивности. Один пучок проходит по воздушному плечу интерферометра, в котором установлена поляризационная пластина 14, второй - через плечо, в котором установлен эталон 12, являющийся линией задержки. Поляризационная пластина 14 задает разность фаз между компонентами поляризации и является элементом системы поляризационного кодирования. Эталоны 12 в независимых оптических интерферометрах 9 и 10 отличаются длиной и (или) показателем преломления, что обеспечивает разные постоянные интерферометров. Затем пучки отражаются от зеркал 13, возвращаются обратно на светоделитель 11, где интерферируют.
Светоделители 11 имеют многослойное диэлектрическое напыление на рабочую длину волны, что обеспечивает равномерное разделение излучения в плечи интерферометров 9 и 10 по интенсивности, тем самым обеспечивая высокий контраст интерференционной картины за счет минимизации разности интенсивностей излучения в плечах интерферометров 9 и 10.
Зеркала 13 обеспечивают высокий коэффициент отражения в плечах интерферометров 9 и 10, что также улучшает контраст интерференционной картины.
Из светоделителя 11 с многослойным диэлектрическим напылением на рабочую длину волны интерферирующие пучки выходят в двух направлениях, как показано на чертеже. На их пути установлены поляризационные кубики 15, которые являются элементами поляризационного декодирования сигнала. Поляризационные кубики 15 выделяют поляризационные компоненты, отличающиеся направлением плоскости поляризации и знаком (cos, sin, -cos, -sin), как показано на чертеже. Далее сигналы поступают в систему регистрации, состоящую из четырех фотоэлектронных умножителей ФЭУ 16, которые предназначены для преобразования излучения четырех поляризационных компонент в электрические сигналы. Электрические сигналы регистрируются четырехканальным цифровым осциллографом (не показано).
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Промышленная применимость
Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для исследования упругопластических и прочностных свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Заявляемое изобретение реализовано и используется для исследования динамических свойств материалов. Изобретение может быть реализовано на базе известных на сегодняшний день материалов и оборудования. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».