本發明專利技術公開了一種基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，包括探測光源、探測光接收系統以及信號處理系統，探測光源發出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；探測光接收系統包括四象限光電探測器，其光敏面面向探測區域并與探測光束垂直，用于接收探測激光光束；四象限光電探測器的信號經信號處理系統處理后獲得激波的傳播特性參數。本發明專利技術結構簡單，操作方便，采用四象限光電探測器簡化了實驗裝置，通過其光斑中心的移動來判斷激波的擾動大小和傳播方向，提高了探測的靈敏度；同時采用雙色鏡將探測光束與脈沖氣體激光器的激光相分離，激光振蕩同時獲得實時的測試結果，避免了無激光諧振腔測試放電區熱沉積偏高的缺陷。
【技術實現步驟摘要】
基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置
本專利技術屬于光學測量
，涉及的是測量流場波動的裝置，特別是一種基于四象限光電探測器來測量流場中的激波傳播特性的裝置，利用四象限光電探測器的各象限輸出變化實現激波的傳播方向及其擾動大小的測量。該方法尤其適用于脈沖氣體激光器內氣體流場擾動的測量。
技術介紹
采用脈沖放電泵浦的脈沖氣體激光器具有重復率高、能量大及成本低的特點在工業上獲得了廣泛的應用，如集成電路光刻，激光醫療和工業加工等。脈沖氣體激光器工作過程中，由于在有限空間內瞬間注入能量較大，從而會產生各個不同方向發展的激波，這些激波會在激光腔內來回往復運動，傳播過程中會帶來密度的變化，使腔內激勵介質的均勻性變化，因此激波的擾動大小表征了流場的均勻性。由于激光腔內流場的不均勻性會直接影響放電均勻性，進而影響激光輸出的光束質量和輸出功率的穩定性，因此對激波特性參數 (包括激波的大小和傳播方向)的測量顯得尤為重要。傳統的流場波動的測量方法經常會采用壓力探針法(O. Uteza, Ph. Delaporte, B.Fontaine，B. Forestier, M. Sentis，I. Tassy, J. P. Truong Appl.Phys. B 64， 531 (1997))，該方法采用壓電轉換器將流場中的壓力波動轉換為電信號輸出，可以實時監測流場中的擾動大小。該方法屬于一種接觸式測量，需要安裝在激光腔內壁上，無法隨意移動，測量時比較難以實現精確定位，并且該方法無法判斷擾動的來源及傳播特性。干涉法和紋影法為兩種常用的非接觸測量方法，用于觀察脈沖氣體激光器中激波的發展過程(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))。干涉法光學系統通過接收屏上的干涉條紋的變化來獲得流場中激波在傳播過程中造成氣體密度的變化信息，從而判斷激波擾動的大小和傳播方向。同樣地，紋影法光學系統能夠將激波造成的密度擾動信息轉化為接收屏上強度的變化，通過強弱變化來判斷激波的位置和傳播方向。這兩種方法都能通過接收屏上光分布的變化信息來直觀地獲得流場內的情形，判斷激波的起源及其發展過程。但是這兩種方法都是通過時序的方法，拍攝不同脈沖不同時刻的流場演化，將其組合得到的流場中激波的演化過程，不能獲得實時的信號；并且這兩種系統裝置都比較復雜并且需要較多的精密光學設備，操作及數據處理都比較麻煩。Wingate等人用單點紋影法來對脈沖氣體激光器脈沖放電后流場中的激波強度進行了測量(F. Wingate, J. T. Lee，AIAAPaper81-1286(1981))。利用該裝置雖然能夠獲得流場內激波的擾動，但是該方法無法準確探測激波的傳播方向。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種脈沖氣體激光器流場內激波的測量裝置，該裝置能夠簡單而準確地測量脈沖氣體激光器流場中的激波擾動大小和傳播方向，信號的后續處理也相對簡單。本專利技術提供的一種基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，包括探測光源、探測光接收系統以及信號處理系統，其特征在于探測光源發出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；所述探測光接收系統包括四象限光電探測器，其中四象限光電探測器的光敏面面向探測區域并與探測光束垂直，用于接收探測光源發出的探測激光光束；四象限光電探測器的信號經信號處理系統處理后獲得激波的傳播特性參數。作為上述技術方案的一種改進，所述探測光接收系統還包括雙色鏡、激光線濾光片，所述的雙色鏡面與探測光束成45度，濾波片和四象限光電探測器正對探測光束，探測光源、雙色鏡、激光線濾光片和四象限光電探測器依次位于同一光路上。作為上述技術方案的另一種改進，所述探測光接收系統還包括雙色鏡、激光線濾光片和分光鏡，所述分光鏡面、雙色鏡面與探測光束成45度角，所述激光線濾波片與探測光束垂直，所述探測光束分別經過分光鏡面和雙色鏡面的中心，并經由被測激光器反射面反射后再次經過雙色鏡面和分光鏡面的中心以及激光線濾波片的中心，最后由四象限探測器接收。本專利技術克服了傳統測量裝置系統復雜、設備昂貴等缺點，同時提高了測量的精度和靈敏度，能夠實時獲得流場內的激波的擾動大小和傳播方向。脈沖氣體激光器工作時，每次放電激勵后在流場內瞬間注入較大的能量，并在流場中形成各種激波，這些激波存在一個高密度區域的波陣面，會使探測光束發生偏折，利用四象限光電探測器獲得的各象限輸出的變化，通過數據采集電路將光斑偏移信息交由計算機進行處理和顯示，利用光斑中心的偏移量與激波的傳播特性存在的特定關系得到激波的擾動大小和傳播方向。本專利技術結構簡單，操作方便，采用四象限光電探測器大大簡化了實驗裝置，通過四象限光電探測器光斑中心的移動來判斷激波的擾動大小和傳播方向，提高了探測的靈敏度；同時采用雙色鏡將探測光束與脈沖氣體激光器的激光相分離，激光振蕩同時獲得實時的測試結果，避免了無激光諧振腔測試時放電區熱沉積偏高的缺陷。附圖說明圖I為本專利技術的結構示意圖2為本專利技術應用于探測光束與脈沖氣體激光器出光方向同向的一種實例；圖3為本專利技術應用于后反鏡全反的脈沖氣體激光器的一種實例；圖4為本專利技術中采用的四象限光電探測器的剖面圖5為本專利技術的工作流程圖6為用Matlab軟件模擬的實驗結果。具體實施方式脈沖氣體激光器工作時形成的各種激波對應的高密度區域組成的波陣面向四周傳播，在其傳播過程中形成一個密度擾動區域；光束在非均勻介質中傳播時會往密度高的區域偏折，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方向相同，因此可以用光斑偏移的大小來表征激波造成的密度擾動大小，而光斑偏移的角度來判斷激波的傳播方向。利用四象限光電探測器可以實時記錄探測光斑中心位置的偏移隨時間的變化，通過偏移的大小和角度可得到脈沖氣體激光器流場中激波的擾動大小和傳播方向。本專利技術基于上述原理設計而成，下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本專利技術，但并不構成對本專利技術的限定。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。如圖I所示，本專利技術提供的脈沖氣體激光器腔內激波的測量裝置主要包括探測光源I、雙色鏡2、激光線濾光片3、四象限光電探測器4、數據采集電路5和計算機6。其中雙色鏡2、激光線濾光片3和四象限光電探測器4構成光電接收部分，數據采集電路5將四象限光電探測器4中的輸出信號交由計算機6上進行處理和顯示，得到激波的大小和傳播方向。探測光源I發出光束的方向與脈沖氣體激光器產生的光軸方向保持平行，如圖2 所示，選擇探測光源I的激光波長，使其能透過脈沖氣體激光器10的后反鏡11和輸出窗口 12，該透過光束不會對脈沖氣體激光器的激光振蕩產生影響；光束的光斑直徑和發散角應較小，保證在探測區域的光斑直徑小于1mm，提高探測精度；探測光源I與四象限光電探測器4可以一起由二維平移臺控制，從而可以探測脈沖氣體激光器流場不同位置的激波實時擾動。圖2所述的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，包括探測光源、探測光接收系統以及信號處理系統，其特征在于：探測光源發出的光束與脈沖氣體激光器的光軸方向平行；所述探測光接收系統包括四象限光電探測器，其中四象限光電探測器的光敏面面向探測區域并與探測光束垂直，用于接收探測光源發出的探測激光光束；四象限光電探測器的信號經信號處理系統處理后獲得激波的傳播特性參數。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐勇躍，楊晨光，左都羅，朱海紅，王新兵，盧宏，陸培祥，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：
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