专利名称：基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置的制作方法
基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置技术领域
本发明属于光学测量技术领域，涉及的是测量流场波动的装置，特别是一种基于四象限光电探测器来测量流场中的激波传播特性的装置，利用四象限光电探测器的各象限输出变化实现激波的传播方向及其扰动大小的测量。该方法尤其适用于脉冲气体激光器内气体流场扰动的测量。
背景技术：
采用脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器具有重复率高、能量大及成本低的特点在工业上获得了广泛的应用，如集成电路光刻，激光医疗和工业加工等。脉冲气体激光器工作过程中，由于在有限空间内瞬间注入能量较大，从而会产生各个不同方向发展的激波，这些激波会在激光腔内来回往复运动，传播过程中会带来密度的变化，使腔内激励介质的均匀性变化，因此激波的扰动大小表征了流场的均匀性。由于激光腔内流场的不均匀性会直接影响放电均匀性，进而影响激光输出的光束质量和输出功率的稳定性，因此对激波特性参数 (包括激波的大小和传播方向)的测量显得尤为重要。
传统的流场波动的测量方法经常会采用压力探针法(O. Uteza, Ph. Delaporte, B.Fontaine，B. Forestier, M. Sentis，I. Tassy, J. P. Truong Appl.Phys. B 64， 531 (1997))，该方法采用压电转换器将流场中的压力波动转换为电信号输出，可以实时监测流场中的扰动大小。该方法属于一种接触式测量，需要安装在激光腔内壁上，无法随意移动，测量时比较难以实现精确定位，并且该方法无法判断扰动的来源及传播特性。
干涉法和纹影法为两种常用的非接触测量方法，用于观察脉冲气体激光器中激波的发展过程(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))。干涉法光学系统通过接收屏上的干涉条纹的变化来获得流场中激波在传播过程中造成气体密度的变化信息，从而判断激波扰动的大小和传播方向。同样地，纹影法光学系统能够将激波造成的密度扰动信息转化为接收屏上强度的变化，通过强弱变化来判断激波的位置和传播方向。这两种方法都能通过接收屏上光分布的变化信息来直观地获得流场内的情形，判断激波的起源及其发展过程。但是这两种方法都是通过时序的方法，拍摄不同脉冲不同时刻的流场演化，将其组合得到的流场中激波的演化过程，不能获得实时的信号；并且这两种系统装置都比较复杂并且需要较多的精密光学设备，操作及数据处理都比较麻烦。Wingate等人用单点纹影法来对脉冲气体激光器脉冲放电后流场中的激波强度进行了测量(F. Wingate, J. T. Lee，AIAAPaper81-1286(1981))。利用该装置虽然能够获得流场内激波的扰动，但是该方法无法准确探测激波的传播方向。发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲气体激光器流场内激波的测量装置，该装置能够简单而准确地测量脉冲气体激光器流场中的激波扰动大小和传播方向，信号的后续处理也相对简单。
本发明提供的一种基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，包括探测光源、探测光接收系统以及信号处理系统，其特征在于探测光源发出的光束与脉冲气体激光器的光轴方向平行；所述探测光接收系统包括四象限光电探测器，其中四象限光电探测器的光敏面面向探测区域并与探测光束垂直，用于接收探测光源发出的探测激光光束；四象限光电探测器的信号经信号处理系统处理后获得激波的传播特性参数。
作为上述技术方案的一种改进，所述探测光接收系统还包括双色镜、激光线滤光片，所述的双色镜面与探测光束成45度，滤波片和四象限光电探测器正对探测光束，探测光源、双色镜、激光线滤光片和四象限光电探测器依次位于同一光路上。
作为上述技术方案的另一种改进，所述探测光接收系统还包括双色镜、激光线滤光片和分光镜，所述分光镜面、双色镜面与探测光束成45度角，所述激光线滤波片与探测光束垂直，所述探测光束分别经过分光镜面和双色镜面的中心，并经由被测激光器反射面反射后再次经过双色镜面和分光镜面的中心以及激光线滤波片的中心，最后由四象限探测器接收。
本发明克服了传统测量装置系统复杂、设备昂贵等缺点，同时提高了测量的精度和灵敏度，能够实时获得流场内的激波的扰动大小和传播方向。脉冲气体激光器工作时，每次放电激励后在流场内瞬间注入较大的能量，并在流场中形成各种激波，这些激波存在一个高密度区域的波阵面，会使探测光束发生偏折，利用四象限光电探测器获得的各象限输出的变化，通过数据采集电路将光斑偏移信息交由计算机进行处理和显示，利用光斑中心的偏移量与激波的传播特性存在的特定关系得到激波的扰动大小和传播方向。
本发明结构简单，操作方便，采用四象限光电探测器大大简化了实验装置，通过四象限光电探测器光斑中心的移动来判断激波的扰动大小和传播方向，提高了探测的灵敏度；同时采用双色镜将探测光束与脉冲气体激光器的激光相分离，激光振荡同时获得实时的测试结果，避免了无激光谐振腔测试时放电区热沉积偏高的缺陷。
图I为本发明的结构示意图2为本发明应用于探测光束与脉冲气体激光器出光方向同向的一种实例；
图3为本发明应用于后反镜全反的脉冲气体激光器的一种实例；
图4为本发明中采用的四象限光电探测器的剖面图5为本发明的工作流程图6为用Matlab软件模拟的实验结果。
具体实施方式
脉冲气体激光器工作时形成的各种激波对应的高密度区域组成的波阵面向四周传播，在其传播过程中形成一个密度扰动区域；光束在非均匀介质中传播时会往密度高的区域偏折，偏折的大小与密度梯度成正比，偏折方向与激波波阵面法线方向相同，因此可以用光斑偏移的大小来表征激波造成的密度扰动大小，而光斑偏移的角度来判断激波的传播方向。利用四象限光电探测器可以实时记录探测光斑中心位置的偏移随时间的变化，通过偏移的大小和角度可得到脉冲气体激光器流场中激波的扰动大小和传播方向。
本发明基于上述原理设计而成，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图I所示，本发明提供的脉冲气体激光器腔内激波的测量装置主要包括探测光源I、双色镜2、激光线滤光片3、四象限光电探测器4、数据采集电路5和计算机6。其中双色镜2、激光线滤光片3和四象限光电探测器4构成光电接收部分，数据采集电路5将四象限光电探测器4中的输出信号交由计算机6上进行处理和显示，得到激波的大小和传播方向。
探测光源I发出光束的方向与脉冲气体激光器产生的光轴方向保持平行，如图2 所示，选择探测光源I的激光波长，使其能透过脉冲气体激光器10的后反镜11和输出窗口 12，该透过光束不会对脉冲气体激光器的激光振荡产生影响；光束的光斑直径和发散角应较小，保证在探测区域的光斑直径小于1mm，提高探测精度；探测光源I与四象限光电探测器4可以一起由二维平移台控制，从而可以探测脉冲气体激光器流场不同位置的激波实时扰动。图2所述的为后反镜11和输出窗口 12都对探测光束透明，如若脉冲气体激光器20 后反镜21不透明，但输出窗22透明，则可将装置换成如图3所示的装置，其中分光镜23的作用是对探测光束半透半反；探测光束可以自输出窗22进入，经后反镜21反射后，仍由输出窗22离开，通过双色镜2，及分光镜23后，经过激光线滤光片3照射到四象限光电探测器 4。
双色镜2与脉冲气体激光器的光轴成45°，双色镜2是窄带反射滤光片，反射的中心波长为激光器的输出波长，其反射的半峰值全宽(FWHM)小于IOnm ;它只使激光光束反射而能使其它波长光束通过，即对脉冲气体激光器的激光辐射有很高的反射，但对探测光源发射的光束反射较低，这使得本测量装置在测试过程中不会对脉冲气体激光器的工作状态和光路产生影响，也避免脉冲气体激光器的激光辐射对四象限探测器的破坏；激光线滤光片3为窄带透射滤光片，其透过的中心波长为探测光源发出的波长，透过的半峰值全宽 (FffHM)小于5nm，即它只能通过探测光源I发射的激光，而滤除其它波长的光；从而进一步减少其它因素对探测器的影响。
四象限光电探测器4具有四个对称性的光敏面，如图4所示。在测量之前，需微调四象限光电探测器4的位置和角度，使探测光源I发射的光斑平均分布于四个象限。四象限光电探测器4的响应频率可以达到几十兆赫兹，而激波扰动周期在几个微秒，因此能够满足实时探测的需求。光路中所述滤光片只使探测光通过，可以防止脉冲气体激光器的激光等对四象限光电探测器造成损害。
数据采集电路5包括前置放大，A/D转换电路等将光电信号输入到计算机6进行处理和显示，得到光斑中心偏移量信息；利用激波传播过程中造成的光束偏折规律进一步获得激波扰动的大小和方向，其中偏移量的大小表征了激波的强度，而偏移量的角度可判断激波的传播方向。
下面根据图5说明本发明脉冲气体激光器流场激波测量装置的工作流程。
脉冲气体工作之前，移动探测光源I将其置于所需探测的位置，相应调整四象限光电探测器4的位置，使探测光源I发射的光斑经过脉冲气体激光器的流场后，平均分布于四象限光电探测器4的四个象限。脉冲气体激光器脉冲激励后会产生一个几十纳秒的强电磁干扰，该电磁干扰作为四象限光电探测器4的触发信号。
脉冲激励伴随着大量的能量沉积，在脉冲气体激光器的流场中产生很多的激波， 这些激波向四周扩散传播，在经过探测光时会使其发生偏折，使光斑中心发生移动，四象限光电探测器4的四个象限的输出发生变化。令一至四象限产生的电压分别为U” U2, U3, U4, 则光斑在横向和纵向的偏移量分别为
权利要求
1.一种基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，包括探测光源、探测光接收系统以及信号处理系统，其特征在于探测光源发出的光束与脉冲气体激光器的光轴方向平行；所述探测光接收系统包括四象限光电探测器，其中四象限光电探测器的光敏面面向探测区域并与探测光束垂直，用于接收探测光源发出的探测激光光束；四象限光电探测器的信号经信号处理系统处理后获得激波的传播特性参数。
2.根据权利要求I所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，所述探测光接收系统还包括双色镜、激光线滤光片，所述的双色镜平面与探测光束成45度，滤波片和四象限光电探测器正对探测光束，探测光源、双色镜、激光线滤光片和四象限光电探测器依次位于同一光路上。
3.根据权利要求I所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，所述探测光接收系统还包括双色镜、激光线滤光片和分光镜，所述分光镜面、双色镜面与探测光束成45度角，所述激光线滤波片与探测光束垂直，所述探测光束分别经过分光镜面和双色镜面的中心，并经由被测激光器反射面反射后再次经过双色镜面和分光镜面的中心以及激光线滤波片的中心，最后由四象限探测器接收。
4.根据权利要求2或3所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，激光线滤光片为对探测激光束高透的窄带透射滤光片。
5.根据权利要求2或3所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，双色镜是对脉冲激光束高反的窄带反射滤光片。
6.根据权利要求4所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，双色镜是对脉冲激光束高反的窄带反射滤光片。
7.根据权利要求2或3所述的基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，其特征在于，分光镜是对探测光半透半反的滤光片。
全文摘要
本发明公开了一种基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置，包括探测光源、探测光接收系统以及信号处理系统，探测光源发出的光束与脉冲气体激光器的光轴方向平行；探测光接收系统包括四象限光电探测器，其光敏面面向探测区域并与探测光束垂直，用于接收探测激光光束；四象限光电探测器的信号经信号处理系统处理后获得激波的传播特性参数。本发明结构简单，操作方便，采用四象限光电探测器简化了实验装置，通过其光斑中心的移动来判断激波的扰动大小和传播方向，提高了探测的灵敏度；同时采用双色镜将探测光束与脉冲气体激光器的激光相分离，激光振荡同时获得实时的测试结果，避免了无激光谐振腔测试放电区热沉积偏高的缺陷。
文档编号G01M9/06GK102980739SQ20121042310
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者徐勇跃, 杨晨光, 左都罗, 朱海红, 王新兵, 卢宏, 陆培祥 申请人:华中科技大学