《利用双波长激光全息干涉显示火花放电流场》由会员分享，可在线阅读，更多相关《利用双波长激光全息干涉显示火花放电流场（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七届全国流动显示学术会议 127 利用双波长激光全息干涉显示火花放电流场 李飞，陈立红，余西龙，张新宇 （中国科学院力学研究所高温气体动力学实验室，北京，100190） 摘 要摘 要：本文介绍了双波长全息透镜马赫型激光干涉仪基本光路布置和再现光路布置。利用该流动显示系统获得了微秒时间尺度上火花放电时电极间的流动图象。实验结果表明，该系统具有空间匹配好等优点。本系统将用于研究高焓流动现象。 关键词关键词：全息干涉 火花放电 流动显示 0 引言 全息干涉照相同普通照相的一个基本区别是，普通照相只能记录物体发出或者反射的光强度信息，而失去了与光强度有关的相位信息。全息照相能同时记录包括振幅和相位的
2、全部信息。全息照相的成像原理不同于普通照相的几何光学成像，而是利用波动光学的干涉原理，以干涉条纹的形式在全息干板上记录物体的光强和相位，然后用光的衍射原理来重现物体的实际形态。 双波长全息干涉是在同一张全息干板上，用两种不同的波长1和2记录全息图。当采用第三种波长再现干涉图时，可以得到干涉条纹有差异的两种干涉图1-4。 1 双波长马赫型同轴全息透镜干涉仪 我们所建立的双波长激光全息干涉系统由以下部分构成。，双波长光源由华北莱因光电研究技术有限公司制造。激光器应为脉冲激光，由 1064nm 激光经非线性晶体，取其二次和三次谐波得到 532nm 和 355nm 激光。采用的全息干版为天津 III
3、型。 显影采用乐凯公司的 HD-19 显影液，定影采用采用 HD-20 定影液。再现激光为固体 532nm 单横模绿激光器。 采用的全息记录光路系统是一种并不常见的同轴记录光路（盖伯型）。这种光路的一种最大的优点是对光源的相干性要求比较低，具有良好的空间和时间匹配性。为了再现时将衍射光与共轭光、透射光相分离，在第二个分束镜前加个透镜。这样做的一个优点是再现时可加一小孔光阑于焦点处，只让物光通过，从而达到与共轭光、 透射光相分离的目的。 同时，在记录时，还可在透镜的焦点处安装一小孔光阑，可以滤掉实验中发光的影响。所设计的马赫型双波长激光全息透镜干涉仪以及实验系统如下图 1 所示： 再现采用如图
4、2 的光路系统。 一般地，物光可以用下面的复表达式： (1) 在上式中，r 为空间矢量坐标，( )r0为实验段位移，f 为胶合透镜焦距。2=k，为激光器波长，为角频率，t 是时间。 参考光可以用下面的式子表达： (2) 128 Proceedings of the 7th China National Conference on Flow Visualization （a） (b) 图 1 马赫型同轴双波长激光全息透镜干涉仪（a）系统光路布置；(b)实物 Fig.1 Schematic of dual wavelength holographic interferometry. 图 2 再现光
5、路系统 Fig.2 Reconstruction optical arrangement (3) (4) (5) (6) (7) (8) 第七届全国流动显示学术会议 129 那么，干板上记录的合振动则为式（3）； 干板记录光强则为式（4）； 当振幅透过率是记录强度的线性函数时候，则有式（5）； 再现光则可以表达为式（6）； r 为空间矢量坐标；rrrrk2=，rr为再现激光器波长，rr为角频率，t 是时间，所以我们可以得到式（7）； 第一项为零阶项，第二项为发散再现光，第三项为汇聚再现光（即为所求光）式（8），其中rrf为再现汇聚光聚焦焦距； 最终得到： (9) 上式表明，寻找全息透镜的焦距时
6、，焦距位置和记录波长成正比。当再现波长和记录波长一致时，再现焦距踞干版的位置等于记录时胶合透镜聚焦焦点到全息干版的距离。 2 利用双曝光全息干涉显示火花放电 流场 实验系统主要有以下部分组成：激光全息干涉光路、火花放电头和电源系统、延时控制电路、探测器、记忆示波器。延时控制器采用SRI 的 DG535 脉冲延迟信号发生器。它的延迟信号可以控制在 ps 量级。 探测器为自行研制的纳秒响应高速硅探测器，响应时间为 3ns。在本次实验中共采用两个探测器。一个用来监测火花放电的发光波形， 一个用来监测 Nd:YAG激光器的辐射波形。通过比较这两个探测器的时间序列，来确定获得全息图是放电的那个时刻。记忆
7、示波器主要用来监测激光器的发光和火花放电发光的时序关系，以确保获得所需要时刻的数据。放电电极之间的距离为 8mm。 3 实验结果以及讨论 在这里，我们首先介绍一下利用双波长激光全息获得加热物体（烙铁）的照片。以便说明实验中的一些问题。 实验采用双曝光全息法，即烙铁没有加热以前先曝光一次，在加热以后再曝光一次。然后依次进行显影定影重现，并利用 CCD 拍下照片。 图 3 放电头安放在全息光路中 Fig.3 electric rode installed in optical path 130 Proceedings of the 7th China National Conference on
8、Flow Visualization 图 4 加热烙铁干涉照片(532nm,光路中加窄带滤波片) Fig.4 Photo of heated iron (record with 532nm wavelength laser beam) 图 5 火花放电照片(355nm,放电时刻在 600ns, 监测光电探测器起跳为时间零点) Fig.5 Photo of electric discharge(record with 355nm wavelength laser beam) 上图中，我们可以看到清晰的干涉条纹。中间的那个白色的光点就是再现时从全息透镜焦点处小孔光阑的透射光。在图中，观察到的背景黑
9、白相间的环状条纹不是实验中应该出现的。我们所购买的激光器采用非稳腔，由于该腔镜设计上的特点，导致光斑强度不是光滑的高斯分布，而是阶梯状台阶分布。所以，因此这种模式的光斑，才出现在干斑因曝光不均匀而出现的黑白相间的斑纹。因此，考虑在以后将激光器谐振腔改为稳定腔，并通过选模的方法以获得均匀的 TEM00 模光束输出。 获得加热烙铁的照片说明我们的光路系统正常、显影定影时间合理。然后我们拍摄了火花放电时的干涉照片。 实验中火花放电时间小于 1 个微秒。火花放电电源被触发以后到有火花发生之间的时间间隔为 2.5 个微秒。Nd:YAG 激光从被触发到出光时间间隔在 2550.4 微秒。注意到由于Nd:Y
10、AG 出光的 Jitter 几乎接近到了火花放电的半宽， 因此， 实验中获得图象是非常困难的。只有采用高速光电探测器实时监测激光器的 第七届全国流动显示学术会议 131 图 6 火花放电照片(532nm,放电时刻在 600ns,监测光电探测器起跳为时间零点) Fig.6 Photo of electric discharge(record with 532355nm wavelength laser beam) 发光和火花光源的发光，才能确认获得的是火花光源那个时刻的干涉照片。 获得的 355nm 波长的照片中，很明显，条纹的间隔小于 532nm波长的照片。 在两张照片上我们还发现激波膨胀呈现
11、不均匀的情况（上部电极周围），说明该火花光源的放电并不是很均匀，有必要改进设计。有关照片的详细分析方法正在处理中。 4 结论 本文建立了双波长激光同轴全息干涉流场显示系统，并利用该显示系统获得了微秒时间尺度上火花放电时电极间的流动图象。由于在本实验中， 激光光斑的模式不是太好， 因此，在改进了激光谐振腔以后，将会获得更为清晰的照片以便于高焓流场的定量分析。 参考文献 1 Timothy J. McIntyre, Emission and Holographic Interferometry Measurements in a Superorbital Expansion Tube, AIAA
12、J., Vol.36,NO.6,1998 2 Timothy J. McIntyre, Simutaneous Two-wavelength Holographic Interferometry in a Superorbital Expansion Tube Facility, Applied Optics, Vol.36,No,31,1997 3 R.J. Radley, Two-wavelength Holography for measuring plasma electron density, The Physics of Fluids,Vol.18,NO.2,1975 4 YU.
13、I. Ostrovsky, et al., Interferometry By Holography, Springer-Verlag,1980 Visualization of Electric Discharge By Using Dual-Wavelength Holographic Interferometry Yu Xilong, Chen Lihong, Li Fei, Zhang Xinyu Institute of Mechanics, CAS,Beijing 100190, China 132 Proceedings of the 7th China National Con
14、ference on Flow Visualization Abstract: This paper reports basic optical arrangement of dual wavelength Gabor-type laser holographic interferometry and related reconstruction optics. The flow field of electric discharge between electrodes was visualized by the system. The technique is useful for future high enthalpy study. Keywords: holographic interferometry, electric discharge, visualization
