脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置及方法，主要測量風機擾動。裝置包括探測激光光源、擴束系統、二個分光鏡、二個反射鏡、光電探測器、數據采集器和處理器；二個分光鏡和二個反射鏡構成馬赫澤德干涉系統，分光鏡放置在被測流場區域的兩端；探測激光光源、擴束系統和第一分光鏡依次位于同一光路上，光電探測器位于第二分光鏡的出射光路上。方法通過控制數據采樣頻率和樣品數，對信號進行濾波后再進行FFT處理，將時域的周期性擾動信號轉換為頻域的信號，得到信號圖譜以確定風機葉輪的擾動。本發明專利技術通過光學測量的方式獲得風機轉動的擾動信息，具有測量裝置簡單、精度高、操作方便的特點，具有很強的實用性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光學測量
，涉及的是一種，特別是配合馬赫澤德干涉系統來對橫流風機葉輪造成的微小擾動的測量裝置及其測量方法，該方法特別適用于對脈沖氣體激光器腔內橫流風機葉輪的微小擾動的測量。
技術介紹
采用脈沖放電泵浦的脈沖氣體激光器如CO2氣體激光器和準分子激光器等在工業加工、集成電路光刻和激光醫療和等領域獲得了廣泛的應用。脈沖氣體激光器中主放電區域工作介質的均勻性對放電均勻性及遠場光束質量有重要影響，因此需要循環系統來使放電區的工作介質不斷更新，從而保證工作介質的均勻性。氣體的循環流動由風機來驅動，風機種類主要有橫流風機、軸流風機和離心風機。伴隨著對重復頻率指標的要求增高，對循環系統中風機的轉速要求也在不斷提高，而在高流速條件下，軸流風機和離心風機的成本較高，而橫流風機不僅能在高氣壓下獲得較高的流速，且橫流風機縱橫與放電電極結構接近，使整個激光器結構緊湊。如圖1所示為脈沖氣體激光器的氣體循環流動系統剖面圖，主要包括主放電電極101，預電離電極102，換熱器103，橫流風機104及其葉輪105。脈沖氣體激光器中的氣體循環流動主要由橫流風機104來完成，橫流風機104轉動后由于轉速不均勻性及其葉輪的結構等因素會對被測流場區域(即主放電區域)100的流場均勻性造成影響。特別在高重復頻率實驗條件下，風機工作時產生的流場不均勻性的影響會增加，風機扇葉交錯在流場中會產生周期性的擾動，這些擾動雖然較小，但在應用于光刻的準分子激光器中，對光源的穩定性要求極高，因此需要不斷對葉輪的結構進行優化，減小流場的擾動，同樣也需要一種測量方法來對風機工作時的均勻性進行測量，特別是風機葉輪交錯在流場中產生的擾動，這不僅是評估整個激光器系統穩定性的一個重要參數，并能對風機葉輪結構的不斷改進提供實驗依據。眾所周之，馬赫澤德干涉儀是一種大型的光學測量儀器，適用于研究氣體密度迅速變化的狀態，如在風洞中實驗飛機模型時產生的空氣渦流和爆炸過程中的沖擊波等。但傳統的馬赫澤德裝置不能直接用于測量脈沖氣體激光器中風機的擾動，因為風機轉動過程產生的擾動是氣體密度緩變過程，整個觀測區域內的密度變化不大，無法用CCD相機等成像方法獲得有效的信息。
技術實現思路
本專利技術目的是提供一種脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置及其測量方法，該裝置及其測量方法能夠簡單而準確地測量風機工作時帶來的擾動。本專利技術提供的一種脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置，其特征在于，它包括探測激光光源、擴束系統、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、光電探測器、數據采集器和處理器；第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡和第二反射鏡共同構成馬赫澤德干涉系統，第一反射鏡及第二分光鏡分別用于放置在被測流場區域的兩端；探測激光光源、擴束系統和第一分光鏡依次位于同一光路上，光電探測器位于第二分光鏡的出射光路上，數據采集器與光電探測器電連接，處理器與數據采集器電連接。利用上述測量裝置測量脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的方法，其特征在于第I步使探測光束覆蓋激光器的整個觀測窗口，調整馬赫澤德干涉裝置，在光電探測器的表面獲得一個均勻光斑；第2步控制數據采樣頻率fs和采樣樣品數N，使采樣頻率fs大于兩倍的被測擾動信號頻率，對光電探測器產生的信號進行記錄；第3步處理器對接收的信號進行濾波處理，再進行快速傅里葉變換處理，將時域的周期性擾動信號轉換為頻域的信號，得到信號圖譜，橫坐標為對應周期擾動信號的頻率，縱坐標為對應頻率下擾動信號的幅值大小；第4步在信號圖譜中，通過頻域信號的峰值來確定風機葉輪的擾動，并確定擾動的頻率和大小，該擾動的幅值與原點的幅值之比即為被測風機葉輪的擾動的相對大小。本專利技術主要是針對影響脈沖氣體激光器橫流風機葉輪的關鍵因素的微小擾動進行測量，它基于馬赫澤德干涉原理實現對脈沖氣體激光器風機擾動測量，它通過馬赫澤德干涉系統獲得無限等厚干涉條紋的亮光斑，采用有限光敏面大小的`探測器來對獲得的光強進行記錄；由于風機工作時不同扇葉交替帶來的擾動是具有周期性的，造成的折射率的變化也是周期性的，該周期性的擾動會使經歷流場的探測光光強發生周期性的波動，光電探測器實時探測的功能能夠獲得這種擾動信息，控制數據采集卡控制數據的采樣頻率和采樣數對信息進行實時記錄，處理器對該數據進行處理并進行顯示，從處理后的信息可以容易的獲得脈沖氣體激光器風機葉輪擾動的信息。本專利技術通過光學測量的方式獲得風機轉動的擾動信息，具有測量裝置簡單、精度高、操作方便的特點，具有很強的實用性。附圖說明圖1為脈沖氣體激光器的氣體循環流動系統剖面圖；圖2為脈沖氣體激光器中風機葉輪擾動測量的裝置圖；圖3為小孔控制光電探測器光敏面接收到的光斑大小的裝置圖；圖4為將馬赫澤德裝置調成無限等厚條紋時獲得的光斑，其中中心實心區域為投射在探測器光敏面上的光斑區域；圖5為光電探測器探測到的實時信號，其中(a)為在脈沖氣體激光器風機工作前；(b)為脈沖氣體激光器風機工作后；圖6 (a)為對實時信號進行高頻濾波后的信號；(b)為進行快速傅里葉變換(FFT)后獲得的頻域信號，其中橫坐標為頻率，縱坐標為對應頻率下擾動信號的幅值大小。具體實施例方式風機工作之前，將馬赫澤德干涉裝置調整至無限等厚干涉厚條紋，即馬赫澤德干涉系統兩路光束的光程差為波長的整數倍，由雙光束干涉原理可知此時光強I大小為I = 4I0cos2 (k Δ) = 410(I)其中k為波矢量，Δ為兩束光的光程差，Itl為每一路光束的光強大小。從上式可以看出風機工作前光強的大小為定值。當風機工作時會導致馬赫澤德干涉系統中兩路光束的光程差Λ發生變化，而光程差Λ的變化主要是由風機工作時造成的氣體折射率變化產生的，因此風機扇葉交錯的擾動會使輸出光強也產生一個周期性擾動。光電探測器能夠對光強大小進行實時記錄，獲得光強隨時間的變化關系。由于風機葉輪擾動導致的光強變化是周期性的，該波動的周期T與風機的轉速η及葉輪的片數N相關，可由下式表示T = I/Nn(2)由于空氣擾動和其它環境因素的影響，會在光電探測器實時探測到的信號中產生背景噪聲信號，需要采用數字信號處理的辦法對測量得到的實時信號進行處理，將時域信號換成頻域信號，將周期性信號從背景噪聲中提取出來，從而得到風機葉輪擾動的信息。本專利技術基于上述原理設計而成，下面結合附圖和實例對本專利技術作進一步詳細的說明。如圖2所示，本專利技術提供的脈沖氣體激光器風機擾動測量裝置，它主要包括探測激光光源201、擴束系統202、第一分光鏡203、第二分光鏡206、第一反射鏡204、第二反射鏡205、光電探測器207、數據采集器208和處理器209。分光鏡203及206，反射鏡204及205構成馬赫澤德干涉系統，反射鏡204及分光鏡206分別位于被測流場區域100的兩端。探測激光光源201、擴束系統202和第一分光鏡203依次位于同一光路上，光電探測器207位于第二分光鏡206的出射光路上，數據采集器208與光電探測器207電連接，處理器209與數據采集器208電連接。工作時，探測激光光源201發射的光束經擴束系統202擴束后通過分光鏡203分 成兩路光，其中一路光依次經過反射鏡205和分光鏡206反射，另一路光經過反射鏡204反射后，依次通過被測流場區域100和分光鏡2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置，其特征在于，它包括探測激光光源、擴束系統、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、光電探測器、數據采集器和處理器；第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡和第二反射鏡共同構成馬赫澤德干涉系統，第一反射鏡及第二分光鏡分別用于放置在被測流場區域的兩端；探測激光光源、擴束系統和第一分光鏡依次位于同一光路上，光電探測器位于第二分光鏡的出射光路上，數據采集器與光電探測器電連接，處理器與數據采集器電連接。

【技術特征摘要】
1.一種脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置，其特征在于，它包括探測激光光源、擴束系統、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、光電探測器、數據米集器和處理器；第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡和第二反射鏡共同構成馬赫澤德干涉系統，第一反射鏡及第二分光鏡分別用于放置在被測流場區域的兩端；探測激光光源、擴束系統和第一分光鏡依次位于同一光路上，光電探測器位于第二分光鏡的出射光路上，數據采集器與光電探測器電連接，處理器與數據采集器電連接。2.根據權利要求1所述脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置，其特征在于， 所述光電探測器的光敏面大小為Imm2 3_2。3.根據權利要求1所述脈沖氣體激光器橫流風機葉輪擾動的測量裝置，其特征在于， 探測激光光源是倍頻...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐勇躍，楊晨光，唐建，左都羅，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：