1-12 用于激光速度干涉仪实验的光纤探头

胡绍楼

　　激光干涉测速仪主要用于测试在冲击波作用下各种材料样品自由表面的速度，或者使用某种透明材料作为窗，紧贴在样品表面，测量这个界面速度，作为材料内部粒子速度。测试时，首先引出激光照明样品表面（或样品和窗之间界面），再用探头收集表面散射的光束送回仪器。被测表面运动时，返回光束因多普勒效应而有频移，频移大小与表面速度成正比。该光束引入仪器后，通过干涉和超外差检测技术（或通过F–P标准具使用分光扫描技术）得到多普勒频移随时间变化的过程，进而计算自由面（或界面）速度的连续变化过程，并计算出在冲击波作用下（高温高压极端条件下）物质性态变化规律。

　　为把激光引出照明样品并收集信号光返回仪器，国外开发了两种光纤探头，一种是用一根光纤输出激光，再经前置透镜耦合照明样品，从样品散射的光束又用同一透镜收集送入并排放置另一光纤头并由光纤送回仪器。另一种是镶嵌式探头。在前置透镜中心镶嵌一个小透镜，一根光纤输出激光，由小透镜耦合照明样品。再用直径大的前置透镜收集表面散射光送回处在样品共轭点上的另一根光纤送回仪器。

　　前一种探头的问题是光能利用效率较低。主要是两个光纤头部不能同时和靶表面共轭。出射光纤和靶面共轭，可保证靶面上有最小照亮面积，最大（信号）光出射度返回，但此时在接收光纤头部形成的光束截面必须大于两光纤头部之和才能使信号光进入接收光纤，为此须把接收光纤拉后一点。这样，大约3／4的信号光都浪费了（在两光纤芯径相等时）。如果改用一根光纤同时输出激光和接收信号光，可解决上述问题。但是实验发现光纤两个端面的寄生把射可沿同一通道引出反射约为入射激光的7％，比透镜收集的漫把射光还要大，所以信号完全湮没在噪声之中，会导致实验失败。为此，研制了测量景深为5~10mm单光纤探头（专利申请号96117579.6），大大提高了光能利用效率，解决了寄生把射湮没信号的问题。

　　国外的第二种探头能量利用效率高于前者，测量景深也大一些。原因是与出射光纤耦合的小透镜在靶上形成小锥角，靶面运动一段距离仍能保持高照度，而大透镜又能收集较多的信号光返回仪器。因出射光纤的数值孔径一般大于0.2，要求小透镜的相对孔径大于1／2，而制作直径小于f 1~f 2mm的小透镜成本较高。小透镜对信号光而言是挡光元件，如加大尺寸不仅对景深不利，而且降低集光效率。为此，用光纤自聚焦透镜代替小透镜嵌在大透镜中研制了一种新的镶嵌式探头，光纤自聚焦透镜可以很小，但相对孔径很大，所以作出的探头景深更大，集光效率更好，并且有助于探头小型化。探头实测景深大于30mm。

　　上述两种探头研制时，在传输光纤上采用了一种即插即用的插接技术。在重复试验时，不再需要在激光器和输入光纤及仪器和接收光纤之间进行精密的耦合调节，因此大大提高了激光干涉测速技术的通用性。