專利名稱：基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置的制作方法
基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置技術領域
本發明屬于光學測量技術領域，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。
背景技術：
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。發明內容
本發明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。
本發明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。
本發明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。
本發明結構簡單，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。
圖I為本發明的結構示意圖2為本發明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為本發明應用于后反鏡全反的脈沖氣體激光器的一種實例；
圖4為本發明中采用的四象限光電探測器的剖面圖5為本發明的工作流程圖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。
本發明基于上述原理設計而成，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
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發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明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，本發明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所述的為后反鏡11和輸出窗口 12都對探測光束透明，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的作用是對探測光束半透半反；探測光束可以自輸出窗22進入，經后反鏡21反射后，仍由輸出窗22離開，通過雙色鏡2，及分光鏡23后，經過激光線濾光片3照射到四象限光電探測器 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，反射的中心波長為激光器的輸出波長，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光束通過，即對脈沖氣體激光器的激光輻射有很高的反射，但對探測光源發射的光束反射較低，這使得本測量裝置在測試過程中不會對脈沖氣體激光器的工作狀態和光路產生影響，也避免脈沖氣體激光器的激光輻射對四象限探測器的破壞；激光線濾光片3為窄帶透射濾光片，其透過的中心波長為探測光源發出的波長，透過的半峰值全寬 (FffHM)小于5nm，即它只能通過探測光源I發射的激光，而濾除其它波長的光；從而進一步減少其它因素對探測器的影響。
四象限光電探測器4具有四個對稱性的光敏面，如圖4所示。在測量之前，需微調四象限光電探測器4的位置和角度，使探測光源I發射的光斑平均分布于四個象限。四象限光電探測器4的響應頻率可以達到幾十兆赫茲，而激波擾動周期在幾個微秒，因此能夠滿足實時探測的需求。光路中所述濾光片只使探測光通過，可以防止脈沖氣體激光器的激光等對四象限光電探測器造成損害。
數據采集電路5包括前置放大，A/D轉換電路等將光電信號輸入到計算機6進行處理和顯示，得到光斑中心偏移量信息；利用激波傳播過程中造成的光束偏折規律進一步獲得激波擾動的大小和方向，其中偏移量的大小表征了激波的強度，而偏移量的角度可判斷激波的傳播方向。
下面根據圖5說明本發明脈沖氣體激光器流場激波測量裝置的工作流程。
脈沖氣體工作之前，移動探測光源I將其置于所需探測的位置，相應調整四象限光電探測器4的位置，使探測光源I發射的光斑經過脈沖氣體激光器的流場后，平均分布于四象限光電探測器4的四個象限。脈沖氣體激光器脈沖激勵后會產生一個幾十納秒的強電磁干擾，該電磁干擾作為四象限光電探測器4的觸發信號。
脈沖激勵伴隨著大量的能量沉積，在脈沖氣體激光器的流場中產生很多的激波， 這些激波向四周擴散傳播，在經過探測光時會使其發生偏折，使光斑中心發生移動，四象限光電探測器4的四個象限的輸出發生變化。令一至四象限產生的電壓分別為U” U2, U3, U4, 則光斑在橫向和縱向的偏移量分別為
權利要求
1.一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。
2.根據權利要求I所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，所述探測光接收系統還包括雙色鏡、激光線濾光片，所述的雙色鏡平面與探測光束成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。
3.根據權利要求I所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，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。
4.根據權利要求2或3所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，激光線濾光片為對探測激光束高透的窄帶透射濾光片。
5.根據權利要求2或3所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，雙色鏡是對脈沖激光束高反的窄帶反射濾光片。
6.根據權利要求4所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，雙色鏡是對脈沖激光束高反的窄帶反射濾光片。
7.根據權利要求2或3所述的基于四象限探測器的脈沖氣體激光器腔內流場測量裝置，其特征在于，分光鏡是對探測光半透半反的濾光片。
全文摘要
本發明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。
文檔編號G01M9/06GK102980739SQ20121042310
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者徐勇躍, 楊晨光, 左都羅, 朱海紅, 王新兵, 盧宏, 陸培祥 申請人:華中科技大學