ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ
LASER DOPPLER VELOCIMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, биофизике, медицине и промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей потоков газовых и конденсированных сред.
x
0
0
0
0
0
Известны лазерные доплеровские измерители скорости, действие которых основано на эффекте Доплера в лазерном излучении, рассеянном исследуемой средой. Для измерения скорости используются лазерные доплеровские измерители скорости, в которых зондирующее поле конфигурируется из трех лазерных пучков [патент USA 4838687], или четырех лазерных пучков [патент US 3897152 А], при этом устройства содержат источник лазерного излучения, расщепитель пучка, оптический формирователь зондирующего поля, а лазерные пучки имеют гауссовское распределение интенсивности в сечении. Зондирующее поле в таких устройствах формируется как интерференционное поле, образующееся при пересечении гауссовских пучков в исследуемой среде. В области пересечения гауссовских пучков интерференционное поле пространственно ограничивается поверхностью эллипсоида. Одна из осей эллипсоида ориентирована по биссектрисе угла между направлениями интерферирующих лазерных пучков. В сечениях зондирующего поля, не совпадающих с пересечением перетяжек гауссовых пучков, пространственная частота интерференционного поля K уменьшается по закону  [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское из-во, 2003, 418 с.], где K - пространственная частота в области пересечения перетяжек, R - конфокальный параметр гауссова пучка, x - расстояние от плоскости пересечения перетяжек, K=2π/Λ, Λ - пространственный период интерференционного поля в плоскости пересечения перетяжек.
-2
-3
Однако в указанных устройствах недостатком является пониженная точность измерений за счет указанного изменения пространственной частоты, определяющейся кривизной волнового фронта гауссовых пучков (в плоскости перетяжки эта кривизна нулевая). Оно приводит к погрешности измерения скорости. Например, в случае ламинарного потока (движения с постоянной скоростью) эта погрешность интерпретируется как появление «виртуальной турбулентности» с относительной интенсивностью порядка 10÷10.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в [A. Voight, S. Heitrfm, L. Buttner, and J. Czarske, "A Bessel beam laser Doppler velocimeter," Opt. Commun., vol. 282, No 9, pp. 1874-1878, (2009)], содержащий источник лазерного излучения, аксикон, дифракционную решетку, оптический формирователь зондирующего поля, фотоприемник, подключенный к системе обработки сигнала, при этом зондирующее поле для измерения одной компоненты вектора скорости предлагается формировать пересечением двух бесселевых пучков. Как известно, волновой фронт бесселева пучка - плоский. Поэтому в структуре зондирующего поля, образованной интерференцией бесселевых пучков, пространственная частота постоянна. Это позволяет исключить погрешность измерений, связанную с непостоянством пространственной частоты зондирующего поля, образованного интерференцией гауссовых пучков. В этом устройстве бесселев пучок образуется в результате дифракции гауссова лазерного пучка на аксиконе. Бесселев пучок направляется на дифракционную решетку, где в результате дифракции Рамана-Ната преобразуется в два пучка, дифрагированные в +1 и -1 порядки. Нулевой порядок дифракции блокируется. Дифрагированные пучки оптической системой направляются в исследуемую среду, где в области пересечения бесселевых пучков формируется зондирующее поле с однородной пространственно-частотной структурой.
Однако в указанном устройстве основным недостатком является невозможность измерения двух ортогональных компонент вектора скорости и низкая энергетическая эффективность из-за неиспользования (блокирования) бесселева пучка, дифрагированного в нулевой порядок при дифракции Рамана-Ната на дифракционной решетке.
Кроме того, известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в книге [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2003, 418 с., на стр. 230-231, рис. 4.20], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий источник двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков, последовательно с которым расположены: акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков, и призма Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией акустооптического модулятора. Между источником двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков и акустооптическим модулятором помещен объектив. Между акустооптическим модулятором и призмой Волластона помещен второй объектив, выполняющий их оптическое сопряжение. Последовательно с призмой Волластона расположена оптический формирователь зондирующего поля в исследуемой среде и его изображения, сформированного в свете, рассеянном исследуемой средой, на фотоприемнике, подключенном к системе обработки сигналов. Работа устройства состоит в том, что два поляризованных лазерных пучка пространственно совмещают и направляют на акустооптический брэгговский модулятор бегущей волны. Дифрагированные в первый и в минус первый порядки световые пучки направляют на призму Волластона, ориентация которой согласована с поляризацией падающих пучков. Расщепленные попарно призмой Волластона световые пучки согласуют по поляризации и направляют в исследуемую среду. Зондирующее поле в исследуемой среде образуют пересечением световых пучков, частоты которых отличаются на частоту ультразвуковой волны в модуляторе. Формируют в свете, рассеянном исследуемой средой, изображение зондирующего поля и выполняют его фотоэлектрическое преобразование. Измеряют частоту фотоэлектрического поля.
Однако указанный измеритель обладает недостатком в виде пониженной точности измерений за счет формирования зондирующего поля гауссовыми пучками и возникающей при этом его пространственно-частотной неоднородностью.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно расположенные источник излучения двух пространственно совмещенных лазерных пучков, состоящий из двух лазеров и оптического элемента, пространственно совмещающего направления излучения лазеров, первый объектив, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны, второй объектив, первую призму Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией лазерных пучков указанного источника излучения, оптический формирователь зондирующего поля, на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, последовательно расположены поворотное зеркало и первый фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов, введены ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая и вторая дисперсионные полуволновые фазовые пластинки, первая и вторая полуволновые фазовые пластинки, коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, конфокальная линзовая система, хроматический фильтр, дихроичное зеркало, второй фотоприемник. При этом в качестве источника излучения двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков использован бихроматический источник поляризованного лазерного излучения, между брэгговским акустооптическим модулятором бегущей волны и первой призмой Волластона на пути одного из дифрагированных пучков помещена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка. Между первой призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля последовательно установлены коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, между второй и третьей призмами Волластона последовательно установлены конфокальная линзовая система, оптически сопрягающая плоскости расположения этих призм, между конфокальной линзовой системой и третьей призмой Волластона на пути каждого из световых пучков помещены первая и вторая фазовые полуволновые пластинки, оптический формирователь зондирующего поля выполнен в виде конфокальной линзовой системы. Между третьей призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля на путях одной пары, ортогонально поляризованных расщепленных третьей призмой Волластона световых пучков помещен хроматический фильтр, и последовательно с ним на путях другой пары одинаково поляризованных пучков помещены первая и вторая полуволновые фазовые пластинки. Между оптическим формирователем зондирующего поля и первым фотоприемником на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, установлено дихроичное зеркало, коэффициенты пропускания и отражения которого согласованы с бихроматическим источником лазерного излучения, в плоскости изображения зондирующего поля, сформированного в отраженном дихроичным зеркалом пучке, установлен второй фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов.
На Фиг. 1 показана плоская проекция структурной схемы предложенного измерителя.
На Фиг. 2 показана аксонометрическая проекция структурной схемы предложенного измерителя.
На Фиг. 3 представлена векторная схема световых пучков, формирующих измерительный объем.
На Фиг. 4 показана поляризационная структура лазерных пучков в плоскости после второй призмы Волластона.
На Фиг. 5 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости перед третьей призмой Волластона.
На Фиг. 6 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости между третьей призмой Волластона и фазовыми полуволновыми пластинками.
На Фиг. 7 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости между полуволновыми фазовыми пластинками и оптической системой формирования зондирующего поля.
Предлагаемый измеритель (Фиг. 1) содержит лазеры 1, 2 и зеркальную призму 3, образующие источник бихроматического светового пучка. Последовательно с источником расположены: объектив 4, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны 5, объектив 6, ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 7, первая призма Волластона 8, коллиматор, состоящий из линз 9 и 10, аксикон 11, вторая призма Волластона 12, конфокально расположенные объективы 13 и 14, полуволновые дисперсионные фазовые пластинки 15 и 16, третья призма Волластона 17. Последовательно с призмой 17 расположены: хроматический фильтр 18, полуволновые фазовые пластинки 19 и 20, оптический формирователь зондирующего поля, состоящий из конфокально расположенных объективов 21 и 22. Между объективами 21 и 22 помещено поворотное зеркало 23. На пути светового пучка, отраженного зеркалом 23, установлены: дихроичное зеркало 24, объектив 25 и фотоприемник 26. На пути отраженного дихроичным зеркалом 24 светового пучка последовательно расположены объектив 27 и фотоприемник 28. Выходы фотоприемников 26 и 28 подключены к системе обработки сигналов.
1
2
1
1
а
2
2
а
12
Предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости работает следующим образом. Линейно поляризованные световые пучки, один из которых излучается лазером 1 на длине волны λ, а другой - лазером 2 на длине волны λ, направляются на зеркальную призму 3, отражаются в параллельных направлениях и объективом 4 направляются под углами Брэгга, φ=λ/2Λ и φ=λ/2Λ, на акустооптический модулятор бегущей волны 5. Лазерные пучки, падающие на зеркальную призму 3, имеют одинаковую поляризацию, ТЕ или ТМ. После отражения от призмы 3 они объективом 4 преобразуются в световые пучки, пересекающиеся в плоскости перетяжки под углом φ:
,
a
где Λ - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе 5.
Дифрагированные в первый и минус первый порядки лазерные пучки имеют относительный частотный сдвиг Ω, равный частоте бегущей в модуляторе 5 ультразвуковой волны. Эти пучки объективом 6 направляются на призму Волластона 8. Объектив 6 преобразует дифрагированные бихроматические пучки с угловым увеличением γ, равным отношению угла расщепления α, характеризующего призму Волластона 8, к удвоенному углу Брэгга, который вычисляется как:
,
где .
1
2
На пути лазерных пучков с длинами волн λ и λ, дифрагированных в первый или минус первый порядки, установлена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 7. Она согласует поляризации пучков, падающих на поляризационную призму 8. Призма Волластона 8 пространственно совмещает падающие на нее под углом α ортогонально поляризованные пучки. Коллиматор, состоящий из объективов 9 и 10, расширяет световой пучок и направляет его на аксикон 11. Аксикон 11 формирует бесселев пучок, который направляется на призму Волластона 12, где расщепляется на два бихроматических ортогонально поляризованных бесселевых пучка с относительным частотным сдвигом Ω. Бесселевы пучки оптической системой, состоящей из объективов 13 и 14, направляются на призму Волластона 17 под углом, равным углу расщепления поляризационной призмы.
1
1
2
1
2
На Фиг. 4 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости 29 непосредственно за объективом 14. Эти бихроматические бесселевы пучки ортогонально поляризованы. Дисперсионные полуволновые фазовые пластинки 15 и 16 поворачивают плоскость поляризации одной из хроматических компонент λ на 90°. Поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости 30 непосредственно после полуволновых фазовых пластинок 15 и 16 показана на Фиг. 5. Эти пучки призмой Волластона 17 расщепляются на четыре хроматически селектированных бесселевых пучка, поляризации которых в плоскости 31 показаны на Фиг. 6. Центры этих пучков, как видно из Фиг. 6, расположены в вершинах прямоугольника, близкого к квадрату. Одна диагональ прямоугольника (xx) проходит через сечение пучков, цвет которых соответствует длине волны λ. Другая диагональ (y'y') проходит через сечения пучков, цвет которых определяется длиной волны λ. Пересекающиеся диагонали xx и y'y' задают направления осей координатно-измерительного базиса, близкого к ортогональному. Степень приближения к ортогональному базису (с осями xx и yy) зависит от разницы углов Брэгга Δφ при дифракции на ультразвуковой волне лазерных пучков с длинами волн λ и λ:
1
2
где Δλ=λ-λ;
a
Δ - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.
Из (1) следует оценка неортогональности осей координатно-измерительного базиса:
.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
При λ=0,532 мкм (зеленый цвет) и λ=0,65 мкм (красный цвет) Δψ=0,05. Коррекция ортогональности координатно-измерительного базиса при необходимости достигается поворотом поляризационной призмы 8 относительно оптической оси на угол Δψ и компенсационным поворотом поляризации пучка на выходе поляризационной призмы 3 с использованием, например, полуволновой ахроматической фазовой пластинки либо конструктивно. На практике λ=0,55 мкм и λ=0,65 мкм ортогональность координатно-измерительного базиса без каких-либо подстроек выполняется с угловым отклонением Δψ≈2°, что дает вклад в погрешность измерения проекций вектора скорости, не превышающий . Центры сечений бесселевых пучков, селектированных на длинах волн λ и λ, соответственно локализованы на взаимно ортогональных диагоналях квадрата. В случае недостаточно качественной хроматической селекции бесселевых пучков, сформированных призмой Волластона 17, на пути соответствующих диагональных пар пучков устанавливаются хроматический фильтр 18 с пропусканием на длине волны λ. Согласование поляризаций монохроматических диагональных пар пучков достигается использованием полуволновых пластинок 19 и 20 на длинах волн λ и λ. Согласованная поляризационная структура монохроматических диагональных пар бесселевых пучков в плоскости 32 после фазовых пластинок 19 и 20 показана на Фиг. 7. Конфокальная оптическая система, состоящая из объективов 21 и 22, формирует в исследуемой среде зондирующее оптическое поле, локализованное в области пересечения монохроматических пар бесселевых пучков. Масштаб изображения зондирующего поля определяется отношением фокусных расстояний объективов 21 и 22. Пространственно-частотная структура монохроматических зондирующих полей определяется интерференцией монохроматических пар бесселевых пучков. Взаимная ориентация интерференционных полос в пространственно совмещенных монохроматических зондирующих полях ортогональна. Пространственно-частотная структура монохроматических зондирующих полей однородна, поскольку волновой фронт бесселевых пучков плоский. Максимальный диаметр зондирующего поля определяется пространственным интервалом, соответствующим главному максимуму бесселевой функции нулевого порядка, описывающей поперечное сечение бесселевого пучка. Поперечный размер зондирующего поля оценивается как диаметр главного максимума бесселевой функции нулевого порядка, деленный на тангенс половины угла между волновыми векторами интерферирующих бесселевых пучков. Зондирующее поле ограничивается поверхностью эллипсоида вращения, ось которого ориентирована по биссектрисе угла между волновыми векторами бесселевых пучков.
Изображения монохроматических зондирующих полей в свете, рассеянном оптическими неоднородностями (частицами), движущимися в исследуемой среде, поворотным зеркалом 23, дихроичным зеркалом 24 и объективами 25 и 27 хроматически селектируются и формируются соответственно на фотоприемниках 26 и 28. Частота модуляции изображения частицы определяется как отношение скорости движения к монохроматическому пространственному периоду интерференционной структуры:
x
y
1
2
где Λ и Λ - размеры интерференционных полос, сформированных соответственно монохроматическими бесселевыми пучками с λ и λ.
При этом указанные размеры интерференционных полос определяются как:
1
1
где 2θ - угол между волновыми векторами бесселевых пучков с длиной волны λ;
2
2
2θ - угол между волновыми векторами бесселевых пучков с длиной волны λ.
Dx
Dy
Частоты ƒ и ƒ определяются через доплеровские сдвиги частоты в световых полях, рассеянных движущимися частицами (оптическими неоднородностями) при пересечении бесселевых монохроматических пучков, формирующих соответствующее зондирующее поле:
где .
Аналогично
где .
Технический результат заключается в том, что обеспечивается повышение точности измерений предлагаемого устройства, которое в отличие от известного лазерного доплеровского измерителя скорости, основанного на использовании гауссовых пучков, использует бесселевы пучки, имеющие плоский волновой фронт в сечении, размер которого определяется главным максимумом функции Бесселя нулевого порядка. Однородность пространственно-частотной структуры зондирующего поля в бесселевом ЛДИС (БЛДИС) по сравнению с гауссовым ЛДИС на порядок выше, а измерительный объем на порядок меньше при одинаковых углах между направлениями лазерных пучков, формирующих зондирующее поле.