摘 要

近年来，天体物理学、等离子物理学、核物理学、材料物理学等学科不断发展，对材料物态方程的测量提出了需求。激光与物质的相互作用及超快测量方法是研究材料物态方程的有效手段。传统测量设备在时间分辨能力上十分有限，因此需要研究具备飞秒时间分辨能力的新型超快测量技术。

啁啾脉冲频域干涉仪是一种时-空分辨的连续测量技术，最高可达飞秒量级的时间分辨能力，这让它成为研究超快脉冲与材料相互作用过程的一种重要技术手段。

本文首先从理论上分析了时间延迟型和空间转换型两种不同啁啾脉冲频域干涉仪的原理，并且由此仿真生成了啁啾脉冲频域干涉图。然后对频域干涉图使用傅里叶变换、窗函数提取等数据处理方法对超快过程中扰动信号的频域相位和频域幅值进行了逆向提取。依据啁啾脉冲的频时一一对应关系，最终得到了扰动信号在时域上的信息，实现了超快过程皮秒级别的时间分辨率。

关键词：超快测量；频域干涉；啁啾脉冲；傅里叶变换

Abstract

Due to the recent development of the astrophysical plasma physics, material physics, nuclear physics and other subjects, the requirements for the measurement of material state equations are proposed. The interaction of laser and material and the method of ultrafast measurement are the effective means of studying the equation of material state. Traditional measurement equipment is limited by the time resolution, so new ultrafast measurement techniques with femtosecond resolution are needed.

The chirped pulse frequency domain interferometer is a time-space discrimination continuous measurement technique which has the advantage of a femtosecond magnitude resolution. This makes it become a kind of important technical means in studying ultrafast pulses and material interaction processes.

In this paper, the principle of the interferometer of Chirped Pulse Spectral Interferometer and Space-Shifted Frequency Domain Interferometer are analyzed theoretically, and the interference pattern of the chirped pulse frequency domain is generated. Then the data process is carried out by the Fourier transform window function method, and the frequency domain phase and frequency domain amplitude of the disturbance signal in the ultrafast process are extracted reversely. Because of the one-to-one correspondence between the frequency of the chirp pulse and the time, the information of the disturbance signal in the time domain is obtained, and the ultrafast process can achieve a time resolution about several picoseconds.

Keywords：Ultrafast measurement；Frequency- domain interference；Chirped pulse；Fourier transformation

目录

1 绪论 - 1 -

1.1 课题背景 - 1 -

1.2 研究的目的与意义 - 1 -

1.3 国内外研究现状 - 2 -

1.4 课题研究内容 - 3 -

2 啁啾脉冲频域干涉仪原理 - 4 -

2.1 啁啾脉冲频域干涉仪的分类 - 5 -

2.2 CPSI干涉仪原理 - 7 -

2.2.1 CPSI干涉条纹的理论推导 - 7 -

2.2.2 由CPSI干涉条纹提取扰动信号 - 8 -

2.3 SSFDI干涉仪原理 - 10 -

2.3.1 SSFDI干涉条纹的理论推导 - 10 -

2.3.2 由SSFDI干涉条纹提取扰动信号 - 12 -

3 CPSI干涉仪仿真 - 14 -

3.1 仿真内容 - 14 -

3.2 参数的选择与设置 - 14 -

3.3 仿真结果 - 16 -

3.4 分析 - 19 -

4 SSFDI干涉仪仿真 - 22 -

4.1 仿真内容 - 22 -

4.2 参数的选择与设置 - 22 -

4.3 仿真结果 - 23 -

4.4 分析 - 26 -

4.5 两种频域干涉仪的对比 - 27 -

5 总结及展望 - 31 -

5.1 论文总结 - 31 -

5.2 研究展望 - 32 -

参考文献 - 33 -

附录A - 35 -

附录B - 42 -

致谢 - 47 -

绪论

课题背景

在机械设计的过程中，我们往往需要对材料有一定的了解，尤其是在设计像太空舱、潜水艇、灾后寻人机器人等这种需要在特殊环境中工作的机械时，对其材料性能的研究十分重要。因此，材料物理领域也一直在研究高温、高压等特殊情况下材料的动力学响应特性。而在实验中要实现高温高压这些特殊情况，则常采用在材料内部加载冲击波的方式。冲击波加载还能用于在实验室模拟炸弹爆炸或者行星内部环境等方面，能够推动武器研究和地球科学等领域的发展。起初，实验室采用的是炸药爆炸等方式来获得较大的冲击波，后来，随着科学的进步，产生了强冲击波加载的新途径即激光驱动冲击波。传统的冲击波产生的压强有限，最高为几个TPa，而激光驱动冲击波的压强现已能够达到数十TPa^[1]。另外，相较于传统的冲击波产生方式，激光驱动冲击波具有成本低、重复性好、压力调节范围大等优点。这使得激光驱动冲击波被越来越多地投入到科学研究中来。

激光驱动脉冲有着超短时间、能量集中、可控等优点，能够帮助物理学等领域进行很多研究，使得激光驱动脉冲越来越多地被使用与研发。但这就又出现了另外一个问题即测试技术的分辨率。早期的冲击波测试技术属于接触式的离散测量，而且时间分辨能力较低（数百纳秒以上）。而在采用激光驱动冲击波时，冲击波的产生、传播和消失都发生在极短的时间内，冲击波在材料内部传播过程极短（几皮秒至数百皮秒）^[1]，这时参数测量的成败很大程度上就取决于所用测试技术的精度了。而实际上，以往一直在采用的传统测量方法，是使用一般的光电器件进行直接测量，对于使用激光脉冲的研究而言，这已经不能满足测量需求，需要有具备更高时间分辨能力的测试技术。