三维温度场的激光全息与干涉层析

作者:贺安之;阎大鹏;倪晓武;赖天树 刊名:光学学报 上传者:张利斌

【摘要】本文论述了多方向干涉层析再现三维温度场的原理,提出了多方向象面全息干涉法,并利用这种方法测量了三维温度场分布;进一步提出了一种更有实用价值的多方向法布里-珀罗干涉法,它具有实时性,能用于真实瞬态流场的测量.

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一、引言早在70年代,Ved等人民”利用漫射式多方向全息法研究水中的三纬温度分布。SO年代,国内也有人重复了Vd等人的研兜工作冈。作者在重复Vd等人的研究工作时发现,漫射式多方向全息法存在的一些缺点,本文提出一种多方向象面全息于涉法获得多方向干涉图,这种方法观察角度大,能够在180”范围内获得干涉图,进行完全数据采集计算,由于条纹是定域在一个平面上,干涉图箔晰,并能用自光再观,但它不是实时的,光路复杂、防震性能差,难于用在强干扰真实场的研究。在此基础上,文中进一步提出了一种多通道法布里一琅罗干涉层析法,它能够在180“范围内实时地记录同一时刻不同方向的干涉图,光路简单,实用性强,抗强震动;是一种可望作为瞬态三维场测量的方法。二、三维场的干涉层析再现原理光线通过介质的光程差为申一Db(AJ一M1劝,m式中工为光线穿过扰动区域的路程,。(。,叨是介质的折射率,_是环境折射率。它与干涉图上的条纹位移关系是0一u,(2)式中八为坡长。所以于涉图实际上可看作是流场沿光线方向的投影,式的反演就是由投影求原场。由于涉图再现三维场分布,实际上是在同时获得几个不同方向于涉图的基础上,把三维场分成一组平行戮面,分别对不同的戮面层析再现,从而获得三维场的结构与分布,砍这种千涉再现方法也称为干涉层析法。任意三维场的再现可按强折射和弱折射两种情况分别讨论,弱折射三维场的再现方法SM光学学报88比较成熟,方法较多“,’‘,而强折射三维场的再现方法正处在发展之中,一般的温度场再现可按弱折射的方法来处理。从考虑测量的精度和节省计算时间出发,本文选用宜接反演法仰来再现三维场分布,但它需要在180”范围内采集干涉数据,如图1所示,假定取。的某一截面,则光程差为呵p,O叫-b咖,刀一e砌,O)采用适当变换m,变换示意图如图2所示,有十一喇pl山一II[n一,叨一。。怕b一,。山仲一幻N。吟,(4)它的逆变换是If。/2sdi(.0)doff(,p)一ito一+IAIMCAIMHW。(52冗“一a厂什a(…一的一p”’-’从闷式中消除偏导数,令尸。一rsin…一0),并设在某一截面上扰动半径最大值r为凡。。,则有1(”/2r(3R一仙氏州一叮。一十I艄《I伸h一。,扒十阶_+D.们一2兀“J。IZ-L]0卜”厂V”’””-“’-””,’-.。_。、.dD2_。、一Zdi(,0)]p一d-di(PO6),(6)-””’-”“Dx3R-“”””“’“”’此式要求内<2*_,则式变为lr”/2n什.山一Nn一一二二一I工m沾o.】Zn“)一/s““”l了广o_D-Tfn__。口。而厂、_。_口_、。/_a。咖【,,、二W/一卜LWV。一p,卜J叫FWw-t-P。w一己W上仰,们一于卜*歹,JO-”p“l2_。、I一dorp(.0).l3R‘”’“”如果实验中进行等间隔观察的角度为一%一0。<6wt…<0M*<9w一篓。(82“”““‘“””“”2“”j用辛普生近似积分有tK一1no,*J一no一二二二一一2一二习L丑o,*1卜呸上L口】饲+IJW上(oSt、g)1。【*)上dNJw。口””一l。83一、刃ig.10rosa.otlonofanyC.ifq呀。28丘lobmapofRaRad口ntrans大rm寸翔三维温度场的激光全息与干涉层析在蚯ll。要计算(约式,必须先计算(7)式,它的精度直接关系到测量结果的精度,对它的结果要有一定的精度要求,本文采用变步长辛普生法计算其值。从干涉图上得到的条纹位移数据沙加;,9;丹是离散数值,要求得O)式的数值,需对k’散的条纹位移值进行拟合,本文采用

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