專(zhuān)利名稱(chēng)：基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置的制作方法
基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是測(cè)量流場(chǎng)波動(dòng)的裝置，特別是一種基于四象限光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量流場(chǎng)中的激波傳播特性的裝置，利用四象限光電探測(cè)器的各象限輸出變化實(shí)現(xiàn)激波的傳播方向及其擾動(dòng)大小的測(cè)量。該方法尤其適用于脈沖氣體激光器內(nèi)氣體流場(chǎng)擾動(dòng)的測(cè)量。
背景技術(shù)：
采用脈沖放電泵浦的脈沖氣體激光器具有重復(fù)率高、能量大及成本低的特點(diǎn)在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用，如集成電路光刻，激光醫(yī)療和工業(yè)加工等。脈沖氣體激光器工作過(guò)程中，由于在有限空間內(nèi)瞬間注入能量較大，從而會(huì)產(chǎn)生各個(gè)不同方向發(fā)展的激波，這些激波會(huì)在激光腔內(nèi)來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳播過(guò)程中會(huì)帶來(lái)密度的變化，使腔內(nèi)激勵(lì)介質(zhì)的均勻性變化，因此激波的擾動(dòng)大小表征了流場(chǎng)的均勻性。由于激光腔內(nèi)流場(chǎng)的不均勻性會(huì)直接影響放電均勻性，進(jìn)而影響激光輸出的光束質(zhì)量和輸出功率的穩(wěn)定性，因此對(duì)激波特性參數(shù) (包括激波的大小和傳播方向)的測(cè)量顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的流場(chǎng)波動(dòng)的測(cè)量方法經(jīng)常會(huì)采用壓力探針?lè)?O. Uteza, Ph. Delaporte, B.Fontaine，B. Forestier, M. Sentis，I. Tassy, J. P. Truong Appl.Phys. B 64， 531 (1997))，該方法采用壓電轉(zhuǎn)換器將流場(chǎng)中的壓力波動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)中的擾動(dòng)大小。該方法屬于一種接觸式測(cè)量，需要安裝在激光腔內(nèi)壁上，無(wú)法隨意移動(dòng)，測(cè)量時(shí)比較難以實(shí)現(xiàn)精確定位，并且該方法無(wú)法判斷擾動(dòng)的來(lái)源及傳播特性。
干涉法和紋影法為兩種常用的非接觸測(cè)量方法，用于觀察脈沖氣體激光器中激波的發(fā)展過(guò)程(P. Delaporte, B. Fontaine, B. Forestier, M. Sentis, J. P. Truong, 0. Uteza, D. Zeitoun, D. Tarabelli Proc. 18th Int. Symp. Shock Waves2,1301 (1991))。干涉法光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)接收屏上的干涉條紋的變化來(lái)獲得流場(chǎng)中激波在傳播過(guò)程中造成氣體密度的變化信息，從而判斷激波擾動(dòng)的大小和傳播方向。同樣地，紋影法光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)⒓げㄔ斐傻拿芏葦_動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為接收屏上強(qiáng)度的變化，通過(guò)強(qiáng)弱變化來(lái)判斷激波的位置和傳播方向。這兩種方法都能通過(guò)接收屏上光分布的變化信息來(lái)直觀地獲得流場(chǎng)內(nèi)的情形，判斷激波的起源及其發(fā)展過(guò)程。但是這兩種方法都是通過(guò)時(shí)序的方法，拍攝不同脈沖不同時(shí)刻的流場(chǎng)演化，將其組合得到的流場(chǎng)中激波的演化過(guò)程，不能獲得實(shí)時(shí)的信號(hào)；并且這兩種系統(tǒng)裝置都比較復(fù)雜并且需要較多的精密光學(xué)設(shè)備，操作及數(shù)據(jù)處理都比較麻煩。Wingate等人用單點(diǎn)紋影法來(lái)對(duì)脈沖氣體激光器脈沖放電后流場(chǎng)中的激波強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量(F. Wingate, J. T. Lee，AIAAPaper81-1286(1981))。利用該裝置雖然能夠獲得流場(chǎng)內(nèi)激波的擾動(dòng)，但是該方法無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)激波的傳播方向。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖氣體激光器流場(chǎng)內(nèi)激波的測(cè)量裝置，該裝置能夠簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地測(cè)量脈沖氣體激光器流場(chǎng)中的激波擾動(dòng)大小和傳播方向，信號(hào)的后續(xù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單。
本發(fā)明提供的一種基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，包括探測(cè)光源、探測(cè)光接收系統(tǒng)以及信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于探測(cè)光源發(fā)出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；所述探測(cè)光接收系統(tǒng)包括四象限光電探測(cè)器，其中四象限光電探測(cè)器的光敏面面向探測(cè)區(qū)域并與探測(cè)光束垂直，用于接收探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)激光光束；四象限光電探測(cè)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后獲得激波的傳播特性參數(shù)。
作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述探測(cè)光接收系統(tǒng)還包括雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片，所述的雙色鏡面與探測(cè)光束成45度，濾波片和四象限光電探測(cè)器正對(duì)探測(cè)光束，探測(cè)光源、雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片和四象限光電探測(cè)器依次位于同一光路上。
作為上述技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述探測(cè)光接收系統(tǒng)還包括雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片和分光鏡，所述分光鏡面、雙色鏡面與探測(cè)光束成45度角，所述激光線(xiàn)濾波片與探測(cè)光束垂直，所述探測(cè)光束分別經(jīng)過(guò)分光鏡面和雙色鏡面的中心，并經(jīng)由被測(cè)激光器反射面反射后再次經(jīng)過(guò)雙色鏡面和分光鏡面的中心以及激光線(xiàn)濾波片的中心，最后由四象限探測(cè)器接收。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)測(cè)量裝置系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)，同時(shí)提高了測(cè)量的精度和靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)獲得流場(chǎng)內(nèi)的激波的擾動(dòng)大小和傳播方向。脈沖氣體激光器工作時(shí)，每次放電激勵(lì)后在流場(chǎng)內(nèi)瞬間注入較大的能量，并在流場(chǎng)中形成各種激波，這些激波存在一個(gè)高密度區(qū)域的波陣面，會(huì)使探測(cè)光束發(fā)生偏折，利用四象限光電探測(cè)器獲得的各象限輸出的變化，通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路將光斑偏移信息交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示，利用光斑中心的偏移量與激波的傳播特性存在的特定關(guān)系得到激波的擾動(dòng)大小和傳播方向。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，采用四象限光電探測(cè)器大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)四象限光電探測(cè)器光斑中心的移動(dòng)來(lái)判斷激波的擾動(dòng)大小和傳播方向，提高了探測(cè)的靈敏度；同時(shí)采用雙色鏡將探測(cè)光束與脈沖氣體激光器的激光相分離，激光振蕩同時(shí)獲得實(shí)時(shí)的測(cè)試結(jié)果，避免了無(wú)激光諧振腔測(cè)試時(shí)放電區(qū)熱沉積偏高的缺陷。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明應(yīng)用于探測(cè)光束與脈沖氣體激光器出光方向同向的一種實(shí)例；
圖3為本發(fā)明應(yīng)用于后反鏡全反的脈沖氣體激光器的一種實(shí)例；
圖4為本發(fā)明中采用的四象限光電探測(cè)器的剖面圖5為本發(fā)明的工作流程圖6為用Matlab軟件模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施方式
脈沖氣體激光器工作時(shí)形成的各種激波對(duì)應(yīng)的高密度區(qū)域組成的波陣面向四周傳播，在其傳播過(guò)程中形成一個(gè)密度擾動(dòng)區(qū)域；光束在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)往密度高的區(qū)域偏折，偏折的大小與密度梯度成正比，偏折方向與激波波陣面法線(xiàn)方向相同，因此可以用光斑偏移的大小來(lái)表征激波造成的密度擾動(dòng)大小，而光斑偏移的角度來(lái)判斷激波的傳播方向。利用四象限光電探測(cè)器可以實(shí)時(shí)記錄探測(cè)光斑中心位置的偏移隨時(shí)間的變化，通過(guò)偏移的大小和角度可得到脈沖氣體激光器流場(chǎng)中激波的擾動(dòng)大小和傳播方向。
本發(fā)明基于上述原理設(shè)計(jì)而成，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
如圖I所示，本發(fā)明提供的脈沖氣體激光器腔內(nèi)激波的測(cè)量裝置主要包括探測(cè)光源I、雙色鏡2、激光線(xiàn)濾光片3、四象限光電探測(cè)器4、數(shù)據(jù)采集電路5和計(jì)算機(jī)6。其中雙色鏡2、激光線(xiàn)濾光片3和四象限光電探測(cè)器4構(gòu)成光電接收部分，數(shù)據(jù)采集電路5將四象限光電探測(cè)器4中的輸出信號(hào)交由計(jì)算機(jī)6上進(jìn)行處理和顯示，得到激波的大小和傳播方向。
探測(cè)光源I發(fā)出光束的方向與脈沖氣體激光器產(chǎn)生的光軸方向保持平行，如圖2 所示，選擇探測(cè)光源I的激光波長(zhǎng)，使其能透過(guò)脈沖氣體激光器10的后反鏡11和輸出窗口 12，該透過(guò)光束不會(huì)對(duì)脈沖氣體激光器的激光振蕩產(chǎn)生影響；光束的光斑直徑和發(fā)散角應(yīng)較小，保證在探測(cè)區(qū)域的光斑直徑小于1mm，提高探測(cè)精度；探測(cè)光源I與四象限光電探測(cè)器4可以一起由二維平移臺(tái)控制，從而可以探測(cè)脈沖氣體激光器流場(chǎng)不同位置的激波實(shí)時(shí)擾動(dòng)。圖2所述的為后反鏡11和輸出窗口 12都對(duì)探測(cè)光束透明，如若脈沖氣體激光器20 后反鏡21不透明，但輸出窗22透明，則可將裝置換成如圖3所示的裝置，其中分光鏡23的作用是對(duì)探測(cè)光束半透半反；探測(cè)光束可以自輸出窗22進(jìn)入，經(jīng)后反鏡21反射后，仍由輸出窗22離開(kāi)，通過(guò)雙色鏡2，及分光鏡23后，經(jīng)過(guò)激光線(xiàn)濾光片3照射到四象限光電探測(cè)器 4。
雙色鏡2與脈沖氣體激光器的光軸成45°，雙色鏡2是窄帶反射濾光片，反射的中心波長(zhǎng)為激光器的輸出波長(zhǎng)，其反射的半峰值全寬(FWHM)小于IOnm ;它只使激光光束反射而能使其它波長(zhǎng)光束通過(guò)，即對(duì)脈沖氣體激光器的激光輻射有很高的反射，但對(duì)探測(cè)光源發(fā)射的光束反射較低，這使得本測(cè)量裝置在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)對(duì)脈沖氣體激光器的工作狀態(tài)和光路產(chǎn)生影響，也避免脈沖氣體激光器的激光輻射對(duì)四象限探測(cè)器的破壞；激光線(xiàn)濾光片3為窄帶透射濾光片，其透過(guò)的中心波長(zhǎng)為探測(cè)光源發(fā)出的波長(zhǎng)，透過(guò)的半峰值全寬 (FffHM)小于5nm，即它只能通過(guò)探測(cè)光源I發(fā)射的激光，而濾除其它波長(zhǎng)的光；從而進(jìn)一步減少其它因素對(duì)探測(cè)器的影響。
四象限光電探測(cè)器4具有四個(gè)對(duì)稱(chēng)性的光敏面，如圖4所示。在測(cè)量之前，需微調(diào)四象限光電探測(cè)器4的位置和角度，使探測(cè)光源I發(fā)射的光斑平均分布于四個(gè)象限。四象限光電探測(cè)器4的響應(yīng)頻率可以達(dá)到幾十兆赫茲，而激波擾動(dòng)周期在幾個(gè)微秒，因此能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)探測(cè)的需求。光路中所述濾光片只使探測(cè)光通過(guò)，可以防止脈沖氣體激光器的激光等對(duì)四象限光電探測(cè)器造成損害。
數(shù)據(jù)采集電路5包括前置放大，A/D轉(zhuǎn)換電路等將光電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)6進(jìn)行處理和顯示，得到光斑中心偏移量信息；利用激波傳播過(guò)程中造成的光束偏折規(guī)律進(jìn)一步獲得激波擾動(dòng)的大小和方向，其中偏移量的大小表征了激波的強(qiáng)度，而偏移量的角度可判斷激波的傳播方向。
下面根據(jù)圖5說(shuō)明本發(fā)明脈沖氣體激光器流場(chǎng)激波測(cè)量裝置的工作流程。
脈沖氣體工作之前，移動(dòng)探測(cè)光源I將其置于所需探測(cè)的位置，相應(yīng)調(diào)整四象限光電探測(cè)器4的位置，使探測(cè)光源I發(fā)射的光斑經(jīng)過(guò)脈沖氣體激光器的流場(chǎng)后，平均分布于四象限光電探測(cè)器4的四個(gè)象限。脈沖氣體激光器脈沖激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾十納秒的強(qiáng)電磁干擾，該電磁干擾作為四象限光電探測(cè)器4的觸發(fā)信號(hào)。
脈沖激勵(lì)伴隨著大量的能量沉積，在脈沖氣體激光器的流場(chǎng)中產(chǎn)生很多的激波， 這些激波向四周擴(kuò)散傳播，在經(jīng)過(guò)探測(cè)光時(shí)會(huì)使其發(fā)生偏折，使光斑中心發(fā)生移動(dòng)，四象限光電探測(cè)器4的四個(gè)象限的輸出發(fā)生變化。令一至四象限產(chǎn)生的電壓分別為U” U2, U3, U4, 則光斑在橫向和縱向的偏移量分別為
權(quán)利要求
1.一種基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，包括探測(cè)光源、探測(cè)光接收系統(tǒng)以及信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于探測(cè)光源發(fā)出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；所述探測(cè)光接收系統(tǒng)包括四象限光電探測(cè)器，其中四象限光電探測(cè)器的光敏面面向探測(cè)區(qū)域并與探測(cè)光束垂直，用于接收探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)激光光束；四象限光電探測(cè)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后獲得激波的傳播特性參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述探測(cè)光接收系統(tǒng)還包括雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片，所述的雙色鏡平面與探測(cè)光束成45度，濾波片和四象限光電探測(cè)器正對(duì)探測(cè)光束，探測(cè)光源、雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片和四象限光電探測(cè)器依次位于同一光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述探測(cè)光接收系統(tǒng)還包括雙色鏡、激光線(xiàn)濾光片和分光鏡，所述分光鏡面、雙色鏡面與探測(cè)光束成45度角，所述激光線(xiàn)濾波片與探測(cè)光束垂直，所述探測(cè)光束分別經(jīng)過(guò)分光鏡面和雙色鏡面的中心，并經(jīng)由被測(cè)激光器反射面反射后再次經(jīng)過(guò)雙色鏡面和分光鏡面的中心以及激光線(xiàn)濾波片的中心，最后由四象限探測(cè)器接收。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，激光線(xiàn)濾光片為對(duì)探測(cè)激光束高透的窄帶透射濾光片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，雙色鏡是對(duì)脈沖激光束高反的窄帶反射濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，雙色鏡是對(duì)脈沖激光束高反的窄帶反射濾光片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，分光鏡是對(duì)探測(cè)光半透半反的濾光片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于四象限探測(cè)器的脈沖氣體激光器腔內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量裝置，包括探測(cè)光源、探測(cè)光接收系統(tǒng)以及信號(hào)處理系統(tǒng)，探測(cè)光源發(fā)出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；探測(cè)光接收系統(tǒng)包括四象限光電探測(cè)器，其光敏面面向探測(cè)區(qū)域并與探測(cè)光束垂直，用于接收探測(cè)激光光束；四象限光電探測(cè)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后獲得激波的傳播特性參數(shù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，采用四象限光電探測(cè)器簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)其光斑中心的移動(dòng)來(lái)判斷激波的擾動(dòng)大小和傳播方向，提高了探測(cè)的靈敏度；同時(shí)采用雙色鏡將探測(cè)光束與脈沖氣體激光器的激光相分離，激光振蕩同時(shí)獲得實(shí)時(shí)的測(cè)試結(jié)果，避免了無(wú)激光諧振腔測(cè)試放電區(qū)熱沉積偏高的缺陷。
文檔編號(hào)G01M9/06GK102980739SQ20121042310
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者徐勇躍, 楊晨光, 左都羅, 朱海紅, 王新兵, 盧宏, 陸培祥 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)