ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к устройству, предназначенному для измерения скорости перемещения движущихся сред (газов, жидкостей, подвижных лент и т.д.), применяемого в аэродинамике, гидродинамике, медицине, текстильной, химической промышленности и т.д.
Известен лазерный доплеровский измеритель скорости [1], содержащий двухцветный лазер, расщепитель двухцветного луча, выполненный в виде двух последовательно расположенных акустооптических ячеек, поворотные оптические элементы, собирающую линзу, два фотоприемника и систему регистрации выделенных сигналов. Каждая из акустооптических ячеек расщепляет один из лучей двухцветного излучения и сдвигает частоту одного из расщепленных лучей. Недостатком известного измерителя скорости является использование двух сложных и дорогостоящих акустооптических ячеек. Кроме того, ячейки неизбежно воздействуют сразу на оба луча, что в итоге приводит к появлению дополнительных (паразитных) лучей, и, как следствие, к потере полезного оптического сигнала. Недостатком описанного измерителя скорости является также ограниченный диапазон измеряемых скоростей, который, как известно, определяется частотой сигнала, подаваемого на акустооптическую ячейку. Эта частота, в свою очередь, ограничена используемым в устройстве режимом дифракции.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [2], содержащее источник двухцветного излучения, селективный ротатор плоскости поляризации излучения, акустооптическую ячейку из анизотропного материала, перископическую систему, выполненную из отражательных элементов, пластину поворота плоскости поляризации, фокусирующий объектив и два фотоприемника. Перископическая система выполнена по трехпучковой схеме. Акустооптическая ячейка отклоняет один из лучей двухцветного излучения в плюс первый порядок, а другой луч - в минус первый порядок. Одновременная дифракция двух коллинеарно распространяющихся лучей на одной акустической волне возможна только на одной фиксированной частоте звука.
Недостатками известного измерителя скорости являются ограниченный диапазон измеряемых скоростей, обусловленный невозможностью изменять частоту звука в широких пределах. Другим недостатком является низкая надежность измерения, обусловленная использованием трехпучковой дифференциальной схемы для измерения двух ортогональных проекций вектора скорости, которая, как известно [3], приводит к появлению методической ошибки, связанной с несовпадением зондирующих объемов. Эта ошибка снижает надежность измерений.
Техническая задача, решаемая данным предложением, состоит в расширении диапазона измеряемых скоростей и повышении надежности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в известный измеритель скорости, содержащий источник двухцветного излучения, ротатор плоскости поляризации излучения, акустооптическую ячейку из анизотропного материала, перископическую оптическую систему, фокусирующий объектив и два фотоприемника, между ротатором плоскости поляризации и акустооптической ячейкой дополнительно введен поляризационный расщепитель двухцветного излучения, а перископическая система выполнена по четырехпучковой схеме. Поляризационный расщепитель может быть выполнен в виде пластины или призмы, а перископическая система может быть выполнена из четырех световодов с элементами ввода и вывода излучения соответственно на входе и выходе каждого световода. Световоды могут быть выполнены из оптических волокон, сохраняющих поляризацию.
Предложенное техническое решение поясняется рисунками, где на фиг.1 приведена схема оптимального варианта предлагаемого измерителя скорости, на фиг.2 показана векторная диаграмма взаимодействия двухцветного излучения с одной акустической волной в материале акустооптической ячейки, на фиг.3 показано направление оптического излучения на входе и на выходе акустооптической ячейки, на фиг.4 приведены зависимости углов между лучами на выходе акустооптической ячейки от частоты акустической волны.
Предлагаемое устройство содержит источник 1 двухцветного излучения (фиг.1), ротатор 2 плоскости поляризации излучения, поляризационный расщепитель 3 двухцветного излучения, акустооптическую ячейку 4 из анизотропного материала, перископическую оптическую систему в виде световодов 5, 6, 7, 8, объединенных в жгут 9 с элементами 10, 11, 12, 13 ввода излучения и элементами 14, 15, 16, 17 вывода излучения, фокусирующий объектив 18 и фотоприемники 19 и 20.
Источником 1 двухцветного оптического излучения может служить широко используемый на практике Ar-лазер, генерирующий две яркие линии с длинами волн 0.488 мкм (синяя линия) и 0.514 мкм (зеленая линия).
Ротатором 2 плоскости поляризации излучения может служить пластина, изготовленная из гиротропного кристалла, например, из парателлурита. Толщина пластины выбирается аналогично тому, как описано в [2].
1
0
e
1
0
e
2
0
e
2
0
e
1
2
1
2
4
В качестве поляризационного расщепителя 3 излучения можно использовать призму Волластона. Эта призма изготовлена из двух одноосных кристаллов и отклоняет «обыкновенные» и «необыкновенные» лучи в разные стороны [4]. При этом излучение λ, показатели преломления которого в материале призмы n и n, отклоняется на угол Θ=(n-n)tgα, а излучение λ с показателями преломления в том же материале N и N, отклоняется на угол Θ=(N-N)tgα. Здесь α - преломляющий угол призмы. Угол между лучами λ и λ равен Θ=Θ+Θ. Если материалом призмы служит одноосный кристалл молибдата свинца (PbMoO), то взяв его показатели преломления для длин волн Ar лазера [5], получим:
В частности, если необходимо получить угол между лучами Θ, равный, например, 4°, необходимо взять угол α равный 12.3°.
Br
Br
Br
Br
Br
Призма Волластона удобна тем, что позволяет изменять угол между расщепленными лучами в широких пределах путем изменения преломляющего угла призмы. Поляризационным расщепителем 3 может служить также плоскопараллельная пластина, наклоненная к одному из лучей под углом Брюстера. Тогда излучение, поляризация которого лежит в плоскости падения, проходит пластину без отражения, а излучение, поляризация которого ортогональна плоскости падения, отражается от пластины. Угол между лучами на выходе пластины будет равен Θ=π-2Θ, где Θ - угол Брюстера. Он связан с показателем преломления n материала пластины выражением tgΘ=n. Если пластина изготовлена, например, из фосфида галлия (GaP), то показатель преломления для длин волн Ar лазера n=3.45, и Θ=73.8°, тогда Θ=32.4°. Если материалом является вюрцит (ZnS), для которого n=2.42, то Θ=67.6° и Θ=44.8°.
Расщепителем 3 излучения может служить призма, отклоняющая оптические излучения с разными длинами волн на разные углы. Преломляющие свойства призмы можно сочетать со свойствами отражения от ее поверхности, т.е. используя эффект Брюстера.
2
1
2
1
3
4
2
1
1
1
2
2
2
1
3
2
4
1
3
2
4
3
4
1
2
3
4
5
Акустооптическая ячейка 4 может быть изготовлена из парателлурита (ТеO) - перспективного материала, широко используемого на практике. Кристалл вырезается вдоль направлений [110], [001], [110]. В кристалле распространяется «медленная» поперечная акустическая волна вдоль направления [110] с направлением сдвига вдоль [110], скорость звука - 0.617*10см/с. Оптические лучи распространяются вблизи оптической оси кристалла [001]. Происходит анизотропная дифракция двухцветного излучения на одной звуковой волне. Векторная диаграмма дифракции представлена на фиг.2. Здесь приведено сечение поверхностей волновых векторов плоскостью, проходящей через оптическую ось кристалла [001] и направление [110]. В приведенном сечении кривые P и Р описывают распространение «необыкновенного» и «обыкновенного» лучей излучения с длиной волны λ, кривые P, P - излучения с длиной волны λ. Падающее на грань {001} кристалла оптическое излучение с длиной волны λ распадается внутри кристалла на лучи K и K', («необыкновенный» и «обыкновенный», соответственно, на фиг.2 показаны сплошным и пунктирным векторами), а излучение с длиной λ волны - на лучи K и K'. В результате акустооптического взаимодействия с акустической волной, волновой вектор которой - q, «необыкновенный» луч K, дифрагирует в направление «обыкновенного» луча K, а «обыкновенный» луч K' - в направлении «необыкновенного» луча K. Таким образом на выходе кристалла образуются четыре луча - K', K, K и K. При этом частоты лучей K и K сдвинуты на частоту звука. Углы Θ, Θ, Θ и Θ приведены только для лучей, участвующих в дифракции. Они отсчитываются от оптической оси кристалла.
1
2
1
2
3
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг.3 приведена оптическая схема расщепления двухцветного излучения с длинами волн λ и λ в результате дифракции в брэгговской акустооптической ячейке 4. На выходе ячейки формируются четыре луча, углы между которыми α, α и α. Угол Θ между падающими лучами выбирается равным α+α. На фиг.4 приведены расчетные зависимости углов α, α и α от частоты звука ƒ, полученные согласно методике расчета параметров анизотропной акустооптической дифракции в парателлурите, приведенной в [6], для двухцветного излучения Аr-лазера. Из фиг.4, в частности, видно, что при частоте ƒ≈42.5 МГц углы между выходящими лучами равны между собой, т.е. α≈α≈α≈2°. Этот угол соответствует углу между расщепленными лучами в примере с использованием призмы Волластона, приведенном выше.
Перископическая оптическая система предназначена для переориентации четырех лучей, распространяющихся в одной плоскости, в две пары лучей, одна из которых лежит в вертикальной плоскости, а вторая - в горизонтальной плоскости, при этом лучи каждой пары распространяются симметрично относительно линии пересечения упомянутых плоскостей.
Перископическая оптическая система может быть выполнена в виде световодов, оптические потери в которых малы в диапазоне используемых длин волн. В устройстве могут быть использованы световоды, сохраняющие поляризацию. На фиг.1 перископическая оптическая система представлена в виде четырех световодов 5, 6, 7, 8. Ввиду гибкости световодов они могут быть изогнуты под любым углом с малым радиусом сгиба (до ~3 мм). Это позволяет легко формировать выходные пучки в любой конфигурации, а так же сконструировать совокупность части световодов 5, 6, 7, 8, фокусирующего объектива 18 и систему фотоприемников 19, 20 в единый блок, располагая его в любом, удобном для наблюдения и измерения месте.
Перископическая система может быть выполнена также в виде зеркал или призм.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
в
г
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. Источник 1 (фиг.1) двухцветного излучения генерирует два луча с длинами волн λ и λ, поляризации которых вертикальные. Излучение проходит через ротатор 2 поляризации, после которого поляризации лучей λ и λ становятся взаимоортогональными, причем поляризация излучения с длиной волны λ лежит в вертикальной плоскости, а с длиной волны λ - в горизонтальной. После ротатора 2 излучение проходит через поляризационный расщепитель 3, в котором оно расщепляется на два монохроматических луча с длинами волн λ и λ. Расщепленные лучи направляются на акустооптическую ячейку 4 и на выходе ячейки каждый из монохроматических лучей расщепляется на два луча, частота одного из которых сдвинута на частоту звука относительно частоты другого луча. Четыре образованных луча с длинами волн λ и λ, лежащие в одной плоскости, направляются на оптическую перископическую систему, представленную на фиг.1 в виде жгута световодов 9, содержащего четыре световода 5, 6, 7 и 8. Лучи вводятся в световоды посредством элементов ввода 10, 11, 12 и 13. На другом конце световодов лучи выходят в свободное пространство посредством элементов вывода 14, 15, 16 и 17, причем лучи с длиной волны λ, выводимые элементами 14, 15, лежат в вертикальной плоскости A, а лучи с длиной волны λ, выводимые элементами 16, 17, лежат в горизонтальной плоскости В. Все лучи направляются на фокусирующий объектив 18 и фокусируются в области С. В этой области лучи, распространяющиеся в вертикальной плоскости А, образуют интерференционный зондирующий объем, предназначенный для измерения вертикальной проекции скорости частицы V, а лучи, распространяющиеся в горизонтальной плоскости В, образуют интерференционный зондирующий объем, предназначенный для измерения горизонтальной проекции скорости частицы V. Благодаря тому, что в предложенном устройстве применяется четырехпучковая схема, оба зондирующих объема совпадают между собой [3]. Таким образом, устраняется методическая ошибка измерений, обусловленная несовпадением зондирующих объемов. Кроме того, поскольку оба объема формируются излучениями с разными длинами волн λ, и λ, то рассеяния от них регистрируются независимо посредством разных узкополосных фотоприемников: 19, настроенном на длину волны λ, и 20, настроенном на длину волны λ.
Таким образом, в сравнении с прототипом, в заявленном устройстве частота звука, посредством которого осуществляется частотный сдвиг оптических лучей, может меняться в широких пределах, а используемая четырехпучковая схема увеличивает надежность измерений.
Источники информации
1. Патент США №3897152, кл. 356-28, 1975.
2. Авторское свидетельство №1814384, Кл. G01Р 3/36, 1992 (прототип)
3. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Новосибирск, Наука, 1983. 212 с.
4. Ильин Р.С., Федотов Г.И., Федин Л.А. Лабораторные оптические приборы. М.: Машиностроение, 1966. с.206.
5. Акустические кристаллы / Под ред. М.П.Шаскольской. М.: Наука, 1982. 632 с.
6. Котов В.М. ФТТ. 1995. Т.37. B.1. C.261-270.