高速流场光谱的参数无衍射激发装置的制作方法

1.本发明属于高温高速流场中颗粒物激光激发辨识颗粒物种类的技术领域，尤其涉及一种高速流场光谱的参数无衍射激发装置。


背景技术：

2.随着现代科学技术的高速发展，在军事领域的研究中开始广泛采用光学分析的方法对高温高速流场的部分关键参数进行观测与分析。如美国、苏联等国家开展了导弹尾喷焰辐射特性研究，利用尾焰中的气体辐射实现对各种航空飞行器的光学侦察、监视与精准打击；针对脉冲爆轰发动机的非稳态燃烧场，通过光学非接触式测量法中的激光吸收光谱技术实现对燃烧场燃气温度、速度及多组分浓度的同步在线监测等。高温高速流场中光谱辐射特征的探测与识别已然成为了军事、国防等领域内的重要研究对象。
3.高温高速流场中的颗粒物种类参数辨识有助于为高空模拟环境下的故障诊断与溯源提供参考依据。高温高速流场中颗粒物参数监测技术主要采用光学测量和静电感应等原理进行检测，难以针对种类进行有效、精准、快速的辨识。因此探索一种基于光谱检测技术的方式对高温高速流场以及异常颗粒物进行定性分析显得尤为重要。
4.早期的故障诊断技术，如，进行机械性的周期维护，其存在着诸多问题，定期的维护造成了大量的人力和财力的浪费，而发动机通常在使用阶段会发生突发性故障，严重威胁了人类的生命安全。
5.因此在航空发动机在高速运转极限试车阶段，亟需有效、快速的检测分析方法对高温高速流场中可能出现的颗粒物种类进行光谱定性分析，为高空模拟环境下航空发动机早期的故障诊断提供理论指导依据。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种道喉道面积的调节机构，解决高温高速流场中因其流速过快高能激光束因作用时间短，颗粒物未能吸收足够能量而无法实现原子跃迁而发射光谱，无法捕获到高速流场中颗粒物的光谱信息，从而不能辨识颗粒物的类型。
7.提供一种高速流场光谱的参数无衍射激发装置，对喷炎部所喷射的高温高速场(6)中的颗粒进行测试，飞行器出口在异常情况下会随机在高温高速场 (6)喷射出尺度较小的颗粒物(5)，喷射出的颗粒物(5)的尺度为微米至几十微米量级，且为低能级激发光谱，其包括朝向高温高速场(6)的方向且同轴的方式依次设置有第一激光器(1)、内凹无衍射光束扩展光学器件(2)、高能激光器(3)和三级无衍射光学器件(4)，其中：
8.所述内凹无衍射光束扩展光学器件(2)，包括轴对称的锥形内凹透镜，其镀有能够对第一激光器(1)高透射的光学薄膜，且内凹无衍射光束扩展光学器件(2)以高光能材质制成，能够承载第一激光器(1)的能量；所述内凹无衍射光束扩展光学器件(2)的夹角与三级无衍射光学器件(4)中的角度形成对应；
9.所述三级无衍射光学器件(4)包括轴对称的球面和两级外锥构成的截面透镜，所
述球面部分镀有能够对高能激光器(3)高透射的光学薄膜，且球面部分的曲率与所述三级无衍射光学器件(4)中的两级外锥部分的夹角形成对应关系，并且，所述两级外锥部分镀有能够对第一激光器(1)高透射的光学薄膜，其安装夹角与内凹无衍射光束扩展光学器件(2)中的角度及三级无衍射光学器件(4)球面部分的曲率半径形成对应；
10.所述的第一激光器(1)的波长与高能激光器(3)、三级无衍射光学器件 (4)和内凹无衍射光束扩展光学器件(2)中的结构参数形成对应关系，以确保在高温高速流场(6)中的指定区域形成捕获区间。
11.本发明的技术有益效果：
12.基于无衍射光束的无衍射保持特性，通过无衍射光学镜组对激光束形成势井能够约束颗粒物的原理，将高温高速流场中颗粒物进行捕获，并同时将微小颗粒物约束在空间特定区域，在专门的激光器聚焦激发下实现对该光谱的激发，实现对高速运动颗粒物的光谱激发，解决高温高速流场中颗粒物的种类辨识。
附图说明
13.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1是三级无衍射光学器件的结构示意图；
15.图2是内凹无衍射光束扩展光学器件的结构示意图；
16.图3是三级无衍射光学器件的工作原理示意图；
17.图4为本发明的结构示意图。
18.其中：
19.r0、r1、r2分别对应为第一级、第二级和第三级无衍射光学器件三级的对应的半径，θ2、θ1分别对应为其角度，z1、z3分别对应为第二级和第三级所覆盖的区域范围，z2为三级无衍射光学器件4的第一级焦距。
具体实施方式
20.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
21.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
22.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例
来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.如图4所示的高速流场光谱的参数无衍射激发装置，对喷炎部所喷射的高温高速场6中的颗粒进行测试，飞行器出口在异常情况下会随机在高温高速场 6喷射出尺度较小的颗粒物5，喷射出的颗粒物5的尺度为微米至几十微米量级，且为低能级激发光谱，其包括朝向高温高速场6的方向且同轴的方式依次设置有第一激光器1、内凹无衍射光束扩展光学器件2、高能激光器3和三级无衍射光学器件4，其中：
24.所述内凹无衍射光束扩展光学器件2，包括轴对称的锥形内凹透镜，其镀有能够对第一激光器1高透射的光学薄膜，且内凹无衍射光束扩展光学器件2 以高光能材质制成，能够承载第一激光器1的能量；所述内凹无衍射光束扩展光学器件2的夹角与三级无衍射光学器件4中的角度形成对应；
25.所述三级无衍射光学器件4包括轴对称的球面和两级外锥构成的截面透镜，所述球面部分镀有能够对高能激光器3高透射的光学薄膜，且球面部分的曲率与所述三级无衍射光学器件4中的两级外锥部分的夹角形成对应关系，并且，所述两级外锥部分镀有能够对第一激光器1高透射的光学薄膜，其安装夹角与内凹无衍射光束扩展光学器件2中的角度及三级无衍射光学器件4球面部分的曲率半径形成对应；
26.所述的第一激光器1的波长与高能激光器3、三级无衍射光学器件4和内凹无衍射光束扩展光学器件2中的结构参数形成对应关系，以确保在高温高速流场6中的指定区域形成捕获区间。
27.够针对高温高速流场中那些尺度在小颗粒物微米量级通过受控无衍射光束进行空间约束，并能够进定点区域激发，除了具备结构紧凑、简洁等优点外，更重要的是能够将高温高速下的颗粒物进行受控约束的特点，适用于类似于该应用下的颗粒物光谱激发场景。
28.安装方式：
29.第一激光器1安装在内凹无衍射光束扩展光学器件2下方，其中内凹无衍射光束扩展光学器件2的装夹方向可以将其平面或者内凹面对准第一激光器 1，该凹无衍射光束扩展光学器件2上镀有能够增强第一激光器1的增透膜，以便使第一激光器1尽可能多的能量投射过该器件，确保更多的激光能量形成势井差，用于对微小颗粒物的约束；
30.内凹无衍射光束扩展光学器件2距离三级无衍射光学器件4距离d后，三级无衍射光学器件4的二级与三级上均镀有能够增透第一激光器1所发出的激光束；同时距离d与内凹无衍射光束扩展光学器件2的角度η和与三级无衍射光学器件4的r0、r1与r2存在一定的对应关系，以确保第一激光器1上的激光全部能够覆盖在三级无衍射光学器件4的r0至r2的径向范围内；
31.高能激光器3安装在第一激光器1经过内凹无衍射光束扩展光学器件2 的光束空腔内，在三级无衍射光学器件4的第一级的表面上镀有能够增透高能激光器3的膜，以便光束能量最大通过，能量更多作用在区域内约束的颗粒物上，实现对颗粒物的光谱激发。
32.作为本案所提供的具体实施方式，高能激光器3的波长与第一激光器1、三级无衍射光学器件4和内凹无衍射光束扩展光学器件2中的结构参数形成对应关系，以确保在高温
高速流场中的指定区域形成捕获区间。
33.作为本案所提供的具体实施方式，第一激光器1发出激光束通过内凹无衍射光束扩展光学器件2形成轴对称圆环形激光束，且内凹无衍射光束扩展光学器件2的角度为η；
34.如图1所示，第一激光器1发出激光束通过内凹无衍射光束扩展光学器件 2形成轴对称圆环经过光程d后，照射在三级无衍射光学器件4的第二级和第三级的环带上，且在内凹无衍射光束扩展光学器件2上的两级对应的夹角为θ1和θ2；第一激光器1波长为λ的准直光垂直照三级无衍射光学器件4第三级 r
1-r2区域上时，径凹无衍射光束扩展光学器件2的角度为η后并以入射角η入射后，对应关系如下：
35.z1＝r1·
[cotη
1-tanθ2]；
[0036]
内凹无衍射光束扩展光学器件2的角度η和三级无衍射光学器件4中θ1、θ2角度较小，可简化为η1＝(n-1)θ2，z
max
≈r1cot[(n-1)θ2]，θ2》η。
[0037]
作为本案所提供的具体实施方式，第一激光器1发出激光束通过内凹无衍射光束扩展光学器件2形成轴对称圆环经过光程d后，照射在三级无衍射光学器件4的第二级和第三级的环带上，内凹无衍射光束扩展光学器件2上的两级对应的夹角为θ1和θ2；第一激光器1波长为λ的准直光垂直照三级无衍射光学器件4第二级r
0-r1区域上时，经凹无衍射光束扩展光学器件2的角度为η后，以入射角η入射后的对应关系如下：
[0038]
z3＝r1·
[cotη
2-tanθ1]；
[0039]
由于内凹无衍射光束扩展光学器件2的角度η和三级无衍射光学器件4 中θ1、θ2角度较小，可简化为η2＝(n-1)θ1，z
max
≈r1cot[(n-1)θ1]，θ1》η，为确保z1》z3拟定θ2》θ1，其中对颗粒物的约束区域就集中在z3至z1范围内。
[0040]
如图4所示，高能激光器3发射准直后的激光束，该激光束经过三级无衍射光学器件4中的第一级的平凸透镜后，将在z3至z1范围内进行聚焦，聚焦后的激光束将对约束在z3至z1范围内的颗粒物进行激光能量激发，激光束经过三级无衍射光学器件4中的第一级的曲率半径满足如下关系：
[0041][0042]
其中rc为三级无衍射光学器件4中第一级的曲率半径。
[0043]
从而解决高温高速流场中因其流速过快高能激光束因作用时间短，颗粒物未能吸收足够能量而无法实现原子跃迁而发射光谱，无法捕获到高速流场中颗粒物的光谱信息，从而不能辨识颗粒物的类型。本发明能够针对高温高速流场中那些尺度在小颗粒物(微米量级)通过受控无衍射光束进行空间约束，并能够进定点区域激发，除了具备结构紧凑、简洁等优点外，更重要的是能够将高温高速下的颗粒物进行受控约束的特点，适用于类似于该应用下的颗粒物光谱激发场景。采用三级无衍射光束生成器，一级进行对高能激发光束进行汇聚，为颗粒的光谱提供激发能量；二级与三级通过辅助激光束形成势差实现对颗粒物的空间约束，即使颗粒物在高速运行情况下，该激光束形成的无衍射空腔也能将颗粒物进行捕获，同时在一定时间内约束颗粒，让激发激光束具有充分的时间作用在颗粒物上，从而能够激发出颗粒物的光谱，实现对高速运动颗粒物的光谱激发，解决高温高速流场中颗粒物的种类辨识。本发明能够针对高温高速流场中那些尺度在小颗粒物(微米量级)通过受控无衍射光束进行空间约束，并能够进定点区域激发，除了具备结构紧凑、简洁等优点外，
更重要的是能够将高温高速下的颗粒物进行受控约束的特点。
[0044]
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。