[发明专利]一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及爆炸与冲击效应领域，特别是涉及一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统。

背景技术

激光驱动爆炸与冲击是爆炸与冲击动力学研究的发展方向，是力学学科的前沿领域。通过激光驱动开展爆炸与冲击研究，在效率、安全性、精细测量技术的配备上具有明显的优势。特别是激光驱动爆炸与冲击可以获得常规的爆炸与冲击手段所不能达到的超高压力（GPa量级以上）、超短脉冲（ns量级）、高冲击速度（km/s量级）和超高应变率（10⁶/s量级以上），是开展尖端科技研究不可或缺的手段。

激光驱动的爆炸与冲击产生的强动载荷具有高强度、短历时和小尺度的特点，对测量技术和测试装备提出了更高的要求。最近，高速摄影技术、X闪光照相技术、高速数字示波器以及相关的传感器、光源和快电子学设备已经开始应用于爆炸与冲击实验。诊断技术发展的主流是以激光和光电子学技术为基础的快响应、高分辨率、高灵敏度的非接触测量技术，例如各种激光干涉测量和光谱技术（速度和位移干涉仪、VISAR（任意反射面测速）、FPI等）、散斑技术、激光诱导荧光和拉曼光谱技术、光学窗口技术等。

迄今为止，激光驱动的冲击波压力的准确测量问题都没能得到很好的解决。激光诱导的冲击波压力高（GPa量级），作用时间短（纳秒量级），衰减快，普通的压电石英传感器、锰铜传感器等由于受到量程、频响和尺寸的限制，测量结果不能令人满意。近年来，PVDF（聚偏二氟乙烯）压电薄膜传感器的出现成为对波剖面测量的一次革命，其最大特点是响应快（为纳秒量级），测压范围大（可达20GPa以上）。国内这方面的工作开展较晚，目前多是利用PVDF薄膜手工制作不同的传感器进行应用研究，尚未形成标准化、商业化的PVDF传感器。

自由表面速度测量是爆炸与冲击实验研究的另一重点与难点。在LSP（激光冲击强化）研究中,通常激光脉宽为几个纳秒,压力持续作用时间为十几个纳秒,弹性前驱波到达毫米量级厚度的靶材背表面所需的时间约为一两百个纳秒,在十几个纳秒内自由表面速度就由几米每秒上升至数百米每秒。因此，LSP自由表面测速对测试设备的灵敏度、时间分辨率和频率响应范围都提出了非常高的要求。Berther等人曾经尝试采用VISAR进行测量，但未能观察到数值计算能够模拟出的弹性前驱波。Arrigoni等人采用Fabry-Perot干涉仪初步观测到了LSP背表面弹性前驱波，但Fabry-Perot干涉仪价格过于昂贵。

综上所述，激光驱动的爆炸和冲击具有超短脉冲、超高压力、高冲击速度和超高应变率的特点，相关测试手段还远未发展成熟。目前，国内在纳秒级响应时间的压力传感器的研制还处于起步阶段，装备于实验室的高速摄影和VISAR系统也难以满足高速、高分辨率的需求。

发明内容

针对现有测试手段难以满足激光驱动的爆炸和冲击实验的缺陷，本发明提供一种高精度的多物理场同步实时测量系统，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面和较准确的表征。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，

所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10⁰~10⁴m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级；

所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级；

所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集；

所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。

优选地，上述系统具有以下特点：

所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括：通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器和示波器，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；

所述通讯激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端口；

所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜，以及，将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器；