凹槽被切割成不同的表面

深度，, 和周期。根据激光光斑大小，有

1至2.6个反光槽照明

取决于v型切割变化。

图4带有

反光球范围为35米–45m（密度）

每平方毫米410个球体。

图5显示了

周期为0.295 mm，深度为

0.147 mm。表III给出了v形切口的完整列表

目标已准备好。此外，为了提高黄金的反射率

钯在

每个目标变化并与非沉积相比较

布料

最后，使用

电化学蚀刻。密封剂首先粘附在

抛光样品，并使用划线器形成平行线

类似于图5的模式。然后用电解液

并使用

Etch-O-Matic工具的直流设置。表IV列出了

预制图案。

制造的反射器的比较表明

每个激光器的周期之间存在显著的尺寸差异

与其他制剂相比，微球的斑点。这

差异是由于

球体和其他特征。因为直径

而每个球形微球，都有一个很大的

激光光斑大小范围内的球体分布。这个

表I.砂光靶标的表面粗糙度

表面Ra，垂直

至谷物

（微米）

Ra，平行

至谷物

（微米）

玻璃镜0.000 0.003

抛光0.104 0.085

240粒0.195 0.118

80粗砂0.477 0.361

40粒3.651 1.118

接地0.861 0.312

端面铣削1.900 1.867

表二：。反光微球的特性

变化特征

直径(米）

每个球的估计

激光光斑

1 35 - 45 108.6

2 180 - 600 5.2

表III.机械铣削v形切口的特征

之间的变化距离

凹槽（mm）

坡口深度，

 （毫米）

期间/

激光光斑

1 0.221 0.110 2.634

2 0.295 0.147 1.973

3 0.442 0.221 1.317

打磨表面、v形切口和电化学蚀刻

然而，曲面是仅在

单向。

（a）

（b）

图5 v形切割槽的自上而下（a）和侧面（b）SEM图像

周期和深度为0.295，, 0.147英寸英寸英寸英寸。

表四：电蚀样品的特性

之间的变化距离

凹槽ηሻ

期间/

激光光斑

1 0.254 2.292

2 0.508 1.146

3 0.762 0.764

三、 实验结果

A、 静态实验-光返回

本实验的目的是确定

哪个表面处理导致了最大的震级

作为入射角函数的光返回。为此，

目标由两人安装在光学台上的固定装置上

一维平移台（ThorLabs PT1/M）和

一维旋转级（ThorLabs PRO1）。A.

准直探头（AC Photonics No.1CL15A070LSD01）

然后安装在距离

使用了靶、平移和旋转阶段

定位目标，使探头入射到表面

旋转轴的法线。这样的定位确保了

激光光斑保持在目标上的同一位置

相对于

目标的曲面法线。然后光被传输

在目标表面使用探针，光强为

在不同的入射角进行监测。重要的是

注意，光路径的方向性是反平行的。

在这个实验中

PDV系统如下。红外线（1550 nm）

使用Koheras以+16.5 dBm（44.7 mW）的速率传输

助力放大器。沿光学路径的反射光

然后，使用特征光电源对探测器进行监控

监测器（A4-LLNL01-01A），其中噪声地板

PDV系统被建立为接近-36 dBm。这个

通过聚焦

将探针传输到激光转储中并测量a

探测器的返回光接近-36 dBm；因此，这里

是否有少量光线在内部反射

系统

EigenLight功率监测器的测量值为

图6显示了反射器的所有变化。在这些中

实验中，通过最初最大化

回光，认为这是零入射角（ߠൌ

0ሻ. 由于大多数光线在

与表面法线对齐，观察到的偏离轴的反射光取决于反射器的特性（即。

漫反射或后反射）。图6a显示了测量结果

用于抛光表面和电化学蚀刻

表面。对于大于10度的角度

观察到的反射光始终小于-32 dBm

对于这两种变体。由于信噪比如此之低，

抛光和电化学蚀刻表面进一步研究。

图6b显示了两个变量的结果

反光微球（表二），以及三种

铣削v形切口的变化（表三）。毫不奇怪，

微球始终产生最高的总体回报

由于其

反光性。对于两种微球，光都会返回

对于高达15度的离轴角度而言，仍然非常出色

然后随着入射角的进一步增大而下降。

即使角度高达51度，微球

提供持续高于-30 dBm的回光。后果

也表明较大的球体倾向于提供

比较小的球体返回的光略多。图6b

还显示了铣削v型切割的光返回。在里面

一般来说，入射时观察到的反射光较少

与抛光表面相比为零的角度，或

然而，微球偏离轴（ߠ൐ 0ሻ 测量

显示出比

抛光表面。离轴测量测量光

震级约为-32 dBm

偏离轴45度角周围的光强。

结果表明，光返回相对恒定

然而，镜面反射是入射角的函数

离轴角度约为45度。的比较

气相沉积通道表明，金钯

v形切割确实改善了整体光返回，特别是在

较小的入射角。然而，两者的光返回

变化始终高于PDV的噪声下限

因此，这两种方法似乎都是可行的

在动态测试中进行了研究。

打磨和地面准备如图所示。

6c、。总体而言，所呈现的四种变体显示出相似的

趋势是入射角的函数。以入射角

（a）

（b）

（c）

图6：光返回作为各种探针角度的函数

不同的表面处理，其中a）是

抛光表面（抛光）和各种电蚀表面

（EE），b）是

不同直径（RR），不同周期长度的铣削表面

（铣削）和气相沉积金钯铣削表面（GP

Mill），c）是地面（地面）的回光，以及

各种砂纸。

为零时，每个目标产生的回光大于-20 dBm。像

入射角增大，光线从

砂纸样本迅速接近-30 dBm，在

20度标记后的噪音地板。目标潮湿

用80号砂纸打磨，产生一条均匀的曲线

异常值。出现打磨目标的灯光衰减

一致，无论使用的纸张等级如何。然而

粗糙的砂纸往往会产生更多的反光。事实上

从地面目标返回的光似乎始终如一

超越砂光目标。这些结果表明

沙地/地面目标也可能是

然而，动态测试的重复性可能很难。

由于可重复性，砂纸和研磨表面

没有进一步追查。

B、 动态实验-旋转目标

第三节A中进行的实验

偏离轴角的反射器。在前进的过程中

然后测试反射器的动态响应

使用特征明确且可重复的横向表面

速度。为此，正确的圆形目标（磁盘）是

用微球或球磨v形切割和纺丝制备

使用Dremel工具（Dremel 4200型），见图7

圆盘由铝加工而成，直径为

30 mm，轴向长度为4 mm。使用Dremel工具，

每个圆盘可以绕其中心轴旋转

轮换率，, 5000至35000 rpm之间，以及

使用光学转速表（Monarch）现场测量

ACT1B-10-01-0-001和ROS）。

图7：用于测量表观

旋转圆盘的速度。PDV探针位于

旋转圆盘和静态回复反射器。静态反射器是

用于测量非移位拍频。

通过放置准直器进行测量

探头初始对准目标表面法线

沿目标半径的距离r。切线线性

速度，ݒ，்在那个无穷小的位置r、 while期间

探针观测到的视速度为零，原因是

正交性。作为发射探头的离轴角

视速度应接近

圆盘的切向速度，r、 倾角已知

角度，测量的视速度可用于

测定圆盘的横向速度。的比较

使用PDV系统和

然后使用转速表来确定

动态实验中的反射器。

根据图6所示的光返回数据，选择反光微球和铣削v形切口用于

这个动态旋转目标实验

为入射角提供足够的回光

50度，同时易于复制。目标磁盘具有

180–600µm微球和带周期的铣削v形切口

0.221 mm，并以约6000 rpm的转速旋转

分别约6600 rpm，同时采集PDV数据

入射角的范围。

在这些实验过程中，发现

目标激光和参考激光的频率略有变化

随着时间的推移（以分钟为单位），导致

拍频。由于数据集是在几个

每次小时，这种变化对

结果测量。为了解决这个问题

PDV的一条腿被用来记录非移位的节拍

静态回复反射表面的频率

消除了频率变化。

a） ●●●●。

b） ●●●●。

图8 PDV和转速表测量值的比较

使用表面处理的横向速度a）

反光微球，180-600µm和b）铣削v形切口，

ߟ ൌ 0.221。PDV测量值使用

视速度和相对倾角。

图8中的结果显示了横向速度

使用转速表和PDV确定的测量值

系统可以注意到，两个反射器都表现良好

与类似的转速表测量值相比。

结果表明，微球可用于

几乎可以完美地确定横向速度

铣削v形切口的一些变化。然而，很明显，

在实验过程中，微球会脱落

旋转时的目标。因此，确保微球

速度仍然指示目标表面速度

成为首要关注的问题。

C、 应用-微球生存能力

鉴于之前对微球的观察

保持固定在目标表面，使用的可行性

动态加载靶中的后向反射微球

采用平面碰撞试验进行评估。在动态环境中

压力剪切实验，纵波到达

目标后表面，并在剪切机到达前释放

波动因此，微球环氧化到目标

表面需要承受

纵波。为了测试这一点，一个飞板撞击

实验使用直径为12.6mm的铜进行

飞板和5mm厚的带有微球的钢靶

后表面涂上环氧树脂。飞片的初始速度

为242 m/s，之前用一系列断针测量

影响。已应用180-600µm微球

使用环氧树脂（Hysol 0151）粘贴到目标背面。A.

单离轴PDV探针用于确定

环氧树脂/球体系统在冲击载荷下进行。

图9显示了速度谱图并进行了简化

从目标自由表面获得的轮廓。这个

纵波到达自由表面约1µs

撞击后，颗粒速度约为104 m/s

保持大约一微秒，即

表明钢的Hugoniot状态。阻抗

匹配铜-钢冲击产生了一个自由表面

但速度约为240 m/s

频谱图显示，约100米/秒的平台

沿着PDV探针的投影观察到。这

速度的差异归因于

由于实验原因，带有目标中心线的探针

约束。初始峰值后，粒子速度趋于平稳

约80 m/s，约15µs，之后两个

信号发散。PDV处理利用傅里叶变换

能够识别多种速度的变换

从单个PDV探针测量。因此

谱图可以看到两个不同的峰值强度速度

历史。一条记录道保持在大约80 m/s的速度，

而另一个继续释放到较低的粒子

速度

为了更好地了解生成的粒子速度

外形、几何形状和冲击条件均已模拟

使用CTH，一个在Sandia开发的欧拉流体代码

国家实验室10.拉格朗日示踪粒子

放置在钢靶的自由表面上，以直接

自由表面速度的测量。模拟的配置文件

显示在图9中实验结果的顶部。

模拟轮廓在大约2µs后下降，

这与实验结果相符。考虑到

示踪粒子随钢的自由表面移动

目标，相信较低的实验轮廓是

自由表面。因此，替代跟踪是

移位的后向反射微球从

后表面。检查后进一步证实了这一点

找到的钢制目标，没有发现任何幸存的证据

环氧树脂或珠子残留在受影响区域。

这些结果表明微球/环氧树脂

使用的系统可能不合适所使用的系统可能不适用于冲击实验。

如果没有表面运动的绝对知识

可能会产生多个记录的速度剖面

如果不正确，可能会产生错误的测量值

已确定。因此，对后向反射的进一步研究

微球没有继续斜向撞击

实验

D、 应用-压力剪切实验

铣削v形切口似乎是最好的表面

泳池横向光线回流的处理方案

在评估的方法中，它们随后在

压力剪切（斜冲击）实验。斜面

冲击实验是旋转的延伸

目标，研究横向表面速度

震级更大。本实验的展望旨在

在更大范围内确定诊断技术的可行性

速度，以及系统的总体能力

用双正交分解横向速度

存在组件。应注意横向

压力剪切实验中测得的速度为

显示在

目标的自由曲面。

图10显示了典型传单的几何形状

已使用目标程序集。目标配置包括

0.6 mm渥太华砂层，填充密度为1.294

݃ ܿ݉ିଷ, 在铁锤和铁砧之间，均为4 mm厚。

单个沙粒在60–180英寸之间

直径，由（99.8 wt.%）SiO2.A钢组成

倾角为17度的弹丸头部

撞击前加速至152 m/s。

铣削的v形切口应用于

用钢砧获得准直后向反射光

探针位于൅20୭ 和െ15୭ 相对于曲面法线。

另一个准直探头垂直于铁砧对齐

测量法向速度的曲面。

使用PlotData减少PDV信号（时间

分辨率：10 ns，速度分辨率：0.236 m/s）

图11显示了中尺度模拟

使用CTH执行。产生的视速度

然后使用正常和离轴探针计算

横向速度。通过求解横截面的方程3

速度、测得的纵向速度、倾角，

表观速度用于确定

倾斜探头的横向速度信号。一

平均横向速度由以下公式确定

平均每个时间点的横向速度信号

在整个实验过程中；方程式4。

创建中尺度模拟是为了模拟

使用CTH进行实验。球形石英颗粒被填充

使用增长的点源进入计算域

并以布朗运动移动，直到得到所需的颗粒

直径100ߤ݉，包装密度50%

实现。纵向和横向组件

速度被赋予飞片材料以启动正常

以及钢制驱动器中的横波，模拟152

实验中测得的m/s。尺寸和材料

驱动器和铁砧与实验等效。

使用

平均100个拉格朗日示踪点分布在

铁砧的自由表面。

图11显示剪切波到达大约2

ݏߤ砧自由面纵波后

并上升到约20 m/s的量级。这个

CTH模拟中跟踪的波的到达时间

图9：从平面碰撞实验中解析的PDV轨迹

带有反光微球ሺ180െ 600 ߤ݉ሻ . 影响

飞行速度为242݉/ݏ。

图10压力剪切实验的实验装置

其中目标自由表面用v形切割槽制备。

三个发射和收集PDV探针与

目标表面的入射角为0度、-15度和20度。

ݒ௔,்௩௘ሺݐሻ ൌ ଵ

ଶ

൫ݒି,்ଵହሺݐሻ ൅ ݒ,்ାଶ଴ሺݐሻ൯ ሺ4.ሻ

与实验数据相符。此外

当

将仿真结果与实验结果进行比较。

图11：使用铣削PDV测量的颗粒速度分布

v形切口߬ൌ 0.221݉͡。上面的符号“sim”是

代表“模拟”，而“exp”代表

“实验”。

四、 讨论

所得结果说明了如何改变表面

作为一个功能，目标的光反射可以得到改善

探头角度。在探索的技术中，添加

向目标表面提供反光微球

静态实验中的最佳光返回。然而，在

两次动态实验都是球体移位。它

可以在

目标表面，使环氧树脂覆盖层略小于

半个球体，但不是整个球体。这样做时

球体可能更好地附着在目标上。然而，鉴于

所需的各层材料，尚不清楚

系统内灯返回的位置。这些

差异造成测量的不确定性。

虽然基于微球的系统可能不是

适用于自由表面测量

反射冲击波，需要注意两个重要事项

从微球中提取。首先，还有许多其他

适用于高应变率加载以外的微球系统。例如，反光微球具有

证明在挑战赛中获得回光很有用

测量弹丸速度等情况

沿着桶向下移动。其次，可以在图9中看到

可以同时观测到多种速度

使用PDV。

其他技术，如：；直接铣削、蚀刻或

目标表面的划痕槽提供

测量方面更简单、更稳健的系统

冲击载荷特性。尽管铣削v形切割和打磨

表面可能不会产生最佳的光返回，

其制造的简单性和耐用性使其成为

动态系统中可行的方法。vcut槽的一个缺点是槽的大小。深度接近

0.15 mm，正常入射光斑的位置

目标的方向还不清楚。此外，

铣削v型切割会降低光回报的风险

正常探头，因为通道反射非正常光线

指示。

电化学蚀刻所得结果

然而，表面的改善是不可接受的

制造业可能会改善光返回。这是必要的

开发更多可控蚀刻技术

这些系统更进一步。

重新关注打磨过的目标、深度和

划痕的周期比vcut沟槽的周期小得多，几乎小5个数量级。这将是

从而提高了对

入射/返回激光光斑，以及最终的位置

系统内的波动。砂磨槽的应用

在不到20分钟的时间内

无需额外设备。

砂光标记也优于反光标记

关于应力波与

目标的自由曲面。因此，他们的规模小，容易

适用性和耐用性，再加上可接受的光线

上仰角度高达50度，可能会使其

最适合此PDV应用的表面解决方案。

五、 总结

所得结果说明了利用PDV的可行性

进行横向表面速度测量。A.

这种测量技术的必要方面是

改善目标的光返回，以区分

以远离正常角度发出信号。采取的方法是

修改各种目标的表面以获取光返回

噪音地板上方。经过几个阶段

静态、动态和冲击载荷试验

对各种表面处理进行了审查。开始

作为入射角函数的光返回测量

进行了多种表面处理

确定每种表面类型的反光性质。

用反光微球制备表面，

铣削v形切割和砂磨提供了足够的光返回

进行PDV测量。反光微球

提供了极佳的回光效果，但其耐用性

冲击载荷下的系统是可疑的。铣削v形切口

确定为一种实用的表面技术

苛刻载荷下横向速度的测量

但相对于

准直PDV光斑尺寸。未来的实验可能会探索

使用较小的凹槽深度和周期。砂光

表面对目标的修改最小，

充足的回光，因此可能是最佳选择

继续进行PDV测量。

六、 致谢

作者感谢

支持美国减少国防威胁

代理（授予FA9550-12-1-0128）。作者

还要感谢C.Scott博士

亚历山大和德布乔伊·马利克

讨论和对话。

参考文献1 O.T.Strand、D.R.Goosman、C.Martinez和T.L。

Whitworth，《科学仪器评论》77，083108

(2006). 2 D.H.Dolan，《科学仪器评论》81，053905

(2010). 3 D.H.Dolan、R.W.Lemke、R.D.McBride、M.R。

Martin、E.Harding、D.G.Dalton、B.E.Blue和S.S。

Walker，《科学仪器评论》84，055102

(2013). 4 D.B.Holtkamp，2006年IEEE国际会议

兆高斯磁场产生及相关

主题，119（2008）。5 D.H.Dolan，AIP会议记录1195，589

(2009). 6 G.Chen，D.Wang，J.Liu等，《科学评论》

仪器84.7 T.D.Nichols，D.C.Harrison，and S.S.Alpert，American

《物理学杂志》53657（1985）。8 B.Zuanetti、T.Wang和V.Prakash，评论

科学仪器88，033108（2017）。9 ASME B46.1 10 McGlaum，J.M.，Thompson，S.L.和Elrick，