马赫环的原理,造成干涉条纹与劈尖不平行的原因

马赫环的原理
马赫环的形成原因细说起来有些复杂,可以理解为因尾焰喷流内复杂超音速流场,在激波作用下,局部喷流的密度和压力产生了规律突变所致 。
当发动机超音速喷流离开尾喷管后,由于喷流静压小于环境气压,喷流会略微膨胀,喷流压力则随着气体压力而降低 。当喷流压力降低到低于环境气压时就会受到周围大气的压缩收拢,使压力再度变高 。
在这个膨胀与压缩过程中,超音速喷流内会产生一系列复杂的斜激波和正激波,以及普朗特迈耶膨胀波和普朗特迈耶压缩波 。这一系列复杂激波会导致喷流在膨胀和压缩段交界处温度急剧升高,高到足以再次点燃喷流中任何残存燃料,使其燃烧发光 。正式这些燃烧着的剩余燃料,形成了一节一节的菱形火焰图案,使马赫环在喷流中闪闪发光 。
造成干涉条纹与劈尖不平行的原因通常的干涉仪,如泰曼—格林干涉仪或马赫—泽德干涉仪,参考光和物光沿不同的光路传播,因此受机械振动和温度扰动的影响 。这导致该方法只能在防振台上,并有控温和稳定气流设施的环境下,才能得到稳定、清晰、高对比度的干涉条纹 。
剪切板准直度测量仪(剪切干涉仪Shear plate collimation tester/interferometer),具有在检测光路中不需要专门设置参考光、有较强的稳定性、只需一幅干涉图就能实现待测畸变波面全场检测的优点 。它可以实现高速快捷的表面形貌测量,剪切方式除了横向、径向,还有旋转以及翻转剪切的方式,近来还出现了这些方式的组合 。
原理
剪切干涉仪的基本原理,拿平板检测干涉仪为例,采用一块具有一定厚度并带有微量楔角的高质量光学平板将一个具有空间相干性的波面分裂为两个完全相同的波面,并且使这两个波面彼此相对错位;因为波面上各点是彼此相干的,因此在这两个波面的重叠区将产生干涉(如图1) 。

马赫环的原理,造成干涉条纹与劈尖不平行的原因

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图1
剪切平板楔角方向与剪切方向垂直 。如果被检光束完全平行,则干涉条纹平行于剪切方向;如果被检光束会聚或发散,则条纹将发生旋转(如图2) 。
马赫环的原理,造成干涉条纹与劈尖不平行的原因

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图2
应用:①波面的波差分布;②可计算光束准直度 。
优点:利用被测波面自身实现干涉,无需参考表面 。
计算方法:
根据干涉条纹可计算出光束的曲率半径及发散角,计算方法如下:
观察屏上被检波面的曲率半径R由如下剪切方程计算,
R=s/n b tga (1)
光束发散角(全角)由下式计算,
q=D/R=n b D tga/s (2)
这里,n和b分别为剪切板的折射率和楔角,D为被检光束在观察屏的直径(其最大值为剪切板通光口径),b为观察屏上相邻两条干涉条纹的间距,a为干涉条纹倾角(即条纹与观察屏基准刻线间的夹角),s为剪切板的剪切量,参见图3 。b是已知的,只要测得角a,就可按式(1)和(2)计算光束曲率半径R和发散角q 。
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