採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器的製作方法
2023-07-10 07:22:31 1
專利名稱：採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射都卜勒測速裝置，特別是一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速裝置。
背景技術：
當單頻雷射源與探測器處於相對運動狀態時，探測器所接收到的光頻率將是變化的。當光源固定時，光波從運動的物體散射或反射並由固定的探測器接收時，也可觀察到這一現象，這就是光學都卜勒效應。雷射頻率的變化稱為都卜勒頻移。物體運動的速度和都卜勒頻移可以用公式精確表示出來fD=|V[cos(1)-cos(s)]|---(1)]]>其中fD為都卜勒頻移，θi為入射雷射束與所測物體速度的方向夾角，θs為散射光束與物體速度方向的夾角，λ為所用雷射波長，V為物體運動速度的大小。雷射都卜勒測速就是通過都卜勒頻移量fD的測量，反推計算得出物體的運動速度。
雷射都卜勒測速與傳統的測速技術如畢託管、熱線風速儀相比具有很多優越性，是一種非接觸測量技術；具有空間解析度極高；動態響應快；測量精度高、量程大等。雷射都卜勒效應應用於測速受到各方面的重視，進行了大量的理論分析和實驗研究，取得了顯著的成績。目前的雷射都卜勒測速已經應用到航空、航天、汽車製造、微流體等各種領域，可用於各種流體速度測量、固體表面速度測量及振動等的測量，並取得了引入注目的成果。
雷射都卜勒測速技術通常採用的方法包括光譜分析法和光混頻技術。光譜分析法是利用稜鏡或光柵攝譜儀對光波長變化進行分析，從而得到頻率變化，由於稜鏡和光柵攝譜儀的頻率解析度有限，因此難以在雷射都卜勒測速中得到廣泛應用；光混頻技術是將兩束頻率不同的光混頻，獲取差頻信號，利用差頻信號得到光頻變化。值得指出的是，作為分光器件的法布裡-珀羅標準具，由於具有超精細光譜分辨本領，而在雷射都卜勒測速中有很大的應用，但法布裡-珀羅標準具一旦做好就無法改變，其頻率分辨能力也不可改變；而且頻率分辨能力仍然有限，不適合所有場合的測速要求。
美國的Menders J.將原子濾光器應用於雷射都卜勒測速，MendersJ.，Laser Doppler Velocimetry，United States Patent 5502558，1996測速精度3cm/s，測速範圍0～100cm/s。該專利中提到了原子濾光器的特性可通過溫度與磁場進行改變，但並沒有將這種特性應用於雷射都卜勒測速中，用來改變測速範圍及補償雷射器的頻率漂移。
在先的測量方法有一個共同的缺陷——不能實時調諧以適應多種測速要求。測量精度相對較高的法布裡-帕羅標準具製造完成之後，不能再進行調節，只能用於一個固定的速度範圍測量。而現代科技對測速工具的要求越來越高，除有高的測量精度外，還應該有好的適用性，可以適應於不同測速範圍的要求。因此實際應用中，人們特別希望具有可調諧功能的高精度測速儀器。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速裝置，以適應於不同測速範圍的要求，以消除雷射器頻率波動產生的影響，實現高精度雷射都卜勒頻移量的測量。
本發明的技術解決構思是1、利用原子濾光器作為窄線寬濾波器件，具有帶寬窄、全視角接收等優點。原子濾光器對某些波段的光存在著透射峰，這些透射峰並不是分離的線分布，而是有著一定帶寬的透過率分布，即透射峰帶寬內光束的透過率和其頻率有關。利用透過率與頻率之間的關係，可以實現高精度雷射都卜勒頻移量的測量。通常用於原子濾光器的介質為鹼金屬原子蒸汽，如Cs原子，自然界只有一種穩定的Cs同位素即Cs133，在溫度120℃與磁場200G時，Cs原子濾光器在852nm波段有三個透射峰，如圖3所示。每一個透射峰均可用於測速，中間透射峰561由於可用帶寬很窄，透過率-頻移曲線變化很快，對於都卜勒頻移更敏感，可用於小量程速度測量並保持較高的精度；兩個邊峰的透過率與都卜勒頻移是條平滑曲線，並具有足夠的帶寬，所能利用的帶寬約4GHz左右，可用於大量程速度測量。J.Menders，K.Benson，Ultranarrow Line FilteringUsing a Cs Faraday Filter at 852nm，Optics Letters，16(11)，1991，pp846-848。
2、通過檢測雷射器1的頻率波動，並通過外加磁場或溫度的調節使可調諧原子濾光器5的中心透過率發生變化，以此來消除雷射器1頻率波動產生的影響。雷射器頻率波動的影響一直是個需要解決的問題，雷射器頻率波動帶來的就是測量速度的誤差。為消除這一影響，採用最直接的方法就是雷射器的穩頻技術。但對大功率雷射器，熱效應導致的雷射腔長的變化，引起雷射頻率的波動，是難以實現雷射穩頻的一個重要原因，被動地消除熱效應的影響並不是很容易解決的問題。因此，實際中特別希望有能主動消除雷射器頻率波動的技術和方法。
本發明具體的技術解決方案如下一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特點在於它由雷射器、待測物體、可調諧原子濾光器、信號接收及數據處理系統和雷射頻率檢測器組成，其位置關係是由雷射源發出的雷射束照射到待測物體上，由待測物體散射的光經由可調諧原子濾光器濾波後，由信號接收及數據處理系統接收並處理得到待測物體的速度值，所述的雷射頻率檢測器用於探測雷射源頻率波動並實時控制可調諧原子濾光器予以補償。
所述的雷射源採用單模半導體雷射器，該單模半導體雷射器發出的雷射束經準直系統準直為平行光束入射至待測物體。
所述的可調諧原子濾光器採用Cs原子蒸汽作為濾光介質，Cs原子腔長2.5cm。
所述的信號接收及數據處理系統由高靈敏度的光電倍增管和計算機構成。
被待測物體所散射的散射光收集後被分光鏡分為等強度的兩束，其中一束經三塊反射鏡後進入探測器；另一束經可調諧原子濾光器後進入探測器。
提供一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速技術，如圖1所示。其核心是利用原子濾光器的可調諧性來調節測速範圍，通過控制磁場和溫度，可移動可調諧原子濾光器的中心透過率和帶寬，實現了動態可調的速度範圍和高精度的速度測量，適用於不同的測速要求。在原子濾光器雷射都卜勒測速技術中，利用原子濾光器的可調諧性，擴大了都卜勒測速系統速度的測量範圍，提高了速度測量的精度。
本發明採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，如圖1所示。由雷射器1發出的雷射束2照射到待測物體3上，由待測物體3散射的光4經由可調諧原子濾光器5濾波後，由信號接收及數據處理系統6接收並處理得到待測物體3的速度值。7為雷射頻率檢測器，雷射器頻率波動可以由雷射頻率檢測器7探測到，並用於實時控制可調諧原子濾光器5，以此消除雷射器頻率波動造成的影響。
可調諧原子濾光器除具有一般原子濾光器的窄帶寬、全視角接收等優點外，還具有透光通道在一定範圍內連續可調，中心透過波長可調的優點，如圖2所示。這種濾光器一般是利用鹼金屬蒸汽作為濾光介質。可調諧原子濾光器的透過率可表示為T(ν)＝[exp(-α+z)+exp(-α_z)]sin2δ(2)(v)=vzc[n_(v)-n+(v)]---(3)]]>(v)=N028gigkAik2(v)2+(2)2---(4)]]>
n(v)-1=-N02323gigkAikv(v)2+(2)2---(5)]]>N＝9.66×1018p/T(atoms/cm3) (6)logp＝11.0531-4041/T-1.35logTv=BB/h---(7)]]>z為法拉第腔的長度，ν為光頻率，在測速時相當於公式1中的fD，n為折射率，α為吸收係數，N為原子密度，λ0為原子躍遷波長，Γ為自然線寬，Aik為愛因斯坦A係數，h為普朗克常數，μB為玻爾磁子，腳標+、-代表塞曼分裂產生的兩個偏振分量。由式(2)～(7)可以看出原子濾光器的透過率是溫度與磁場強度的函數，因此可以通過外加磁場或溫度的變化來調節法拉第原子濾光器的透射譜。
對於Cs原子法拉第反常色散濾光器來說，存在三個明顯的透射峰，如圖3所示，這三個透光窗口均可用於測速。由於可調諧原子濾光器的透過率是溫度和磁場強度的函數，因此可以通過調節這兩個參數來實現對可調諧原子濾光器的透射譜的調諧。當磁場強度增大時，透射峰分別向長波方向移動，同時兩透射峰頻率間距加大，而且每個透射峰的帶寬加寬，其中透射峰的頻移和帶寬隨磁場調節的示意關係分別如圖4、5所示。原子濾光器的工作氣體溫度改變同樣可以達到調節的效果，溫度升高時法拉第反常色散濾光器邊鋒調諧特性與磁場強度增大結果相似。Cs原子濾光器的中心透光窗口561帶寬較窄，透射率對頻移的變化很敏感，適合於低速高精度的測量；兩側透光窗口562、563帶寬較寬，透射率對頻移的變化相對於窗口561較不敏感，適合於高速測量場合。而且每個測量窗口的帶寬還可以通過磁場調節來改變，從而進一步增大測量範圍。利用原子濾光器的可調諧特性可實現比較大的速度測量範圍，如圖6所示。
由Cs原子濾光器的透射譜線可看出一定頻段的光能透過率與都卜勒頻移呈單調變化，所以得到其透過率就可以得到相應的都卜勒頻移量，從而計算出速度值。可以採用兩種結構來實現，這兩種結構的本質都是得到可調諧原子濾光器的實時透過率值。其一為雙接收光路結構，接收光被分束器件分為等強度的兩束，一束通過可調諧原子濾光器進入探測器，一束被反射後做為參考光直接進入探測器，由兩束光的強度之比可以得到濾光器透過率的變化，由此得到都卜勒頻移值。另一種為單接收光路結構，不需要參考光束。首先對可調諧原子濾光器的透過率隨雷射頻移的變化進行精確的標定，測量時採用標定值進行對比，然後計算即可得到所需的速度值。雙接收光路系統結構相對比較複雜，但由於採用了參考光實時測量可調諧原子濾光器的透過率，具有測量精度高的優點；單路光系統結構簡單、緊湊，所用器件很少，由於採用標定的透過率隨都卜勒頻移變化曲線作為標準，測量精度就決定於標定精度；而且當可調諧原子濾光器性質有所變化時，需要重新標定。兩種系統各有利弊，實用中可以視具體要求選擇不同的系統。
雷射器的頻率波動是一個在實際應用中必須考慮的嚴重問題。對於小型的半導體雷射器，可以採取精密的溫度控制來被動地抑制雷射器的頻率波動。但對於雷射測速，往往需要大功率的雷射器，其熱效應引起的雷射頻率波動非常明顯，此時最好還是採用主動頻率波動消除的措施。採用可調諧原子濾光器的一個優點是可以消除測量過程中雷射器產生的頻率抖動，如圖7所示。對雷射器工作時頻率進行實時監測，將頻移量反饋到可調諧原子濾光器的控制系統，利用原子濾光器的可調諧性，實時調節原子濾光器的透射譜，使透射峰與雷射器實際發射頻率相吻合，以此來消除雷射器的頻率漂移。
本發明與在先技術相比具有的優點1.可調諧原子濾光器透光頻率的連續可調保證了測量範圍的連續可調，可用於更廣泛的速度測量場合；2.由於可調諧原子濾光器的透光窗口可以調節，測速時可以採用對都卜勒頻移比較敏感的透光窗口，因此可以實現高的測速精度；3.通過探測到的雷射器的頻率波動，實時調節可調諧原子濾光器的中心透過率，可自動地消除雷射器頻率波動的影響。
圖1為採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速系統示意圖；圖2為可調諧原子濾光器原理示意圖；圖3為銫原子濾光器在852nm波段磁場強度200G，溫度120℃時透過率曲線示意圖；圖4為可調諧原子濾光器中心透射波長隨磁場強度的變化示意圖；圖5為可調諧原子濾光器可利用帶寬隨磁場強度的變化示意圖；圖6為都卜勒頻移與速度關係圖；圖7為原子濾光器調諧補償雷射器頻移示意圖；圖8為本發明具體實施例結構示意圖
具體實施例方式圖8為本發明具體實施例示意圖。為雙光路結構。採用單模半導體雷射器11作為雷射源1，可調諧原子濾光器5採用Cs原子蒸汽作為濾光介質，Cs原子腔長2.5cm，光電探測器61採用高靈敏度的光電倍增管。溫度恆定，通過原子蒸汽腔外的線圈電流變化調節磁場強度來控制原子濾光器5的透射譜。
雷射器11出射的雷射束經準直系統12準直為光束2入射至待測物體3，雷射束除透射外，還有一部分被物體散射和反射，散射與反射的雷射束中包含了所測的雷射都卜勒頻移信息。散射光4收集後被分光鏡81分為等強度的兩束I和II。其中一束II經三塊反射鏡91、92、82後進入高靈敏度的光電倍增管61；另一束I經可調法拉第原子濾光器5後進入高靈敏度的光電倍增管61。由於不同波長的雷射束經過可調諧原子濾光器的透過率不同，同時進入探測器的光束I被II歸一化，就可以直接得到該波長光束的透過率，由數據處理系統62就可得到所測物體的實時速度，數據處理系統可以採用個人計算機。測速的同時由雷射頻率檢測控制器7對雷射器的頻率漂移進行檢測，同時對原子濾光器5進行控制，通過外加線圈電流調節其磁場強度，使其透射峰與雷射器出射頻率吻合。
原子濾光器在不同溫度、磁場強度下的透射譜可以由實驗得到並存入數據處理系統62。測量時由實際情況確定θi與θs值，實時的透過率輸入到數據處理系統62，並與當時所採用原子濾光器的透射譜進行比較，得到相應的都卜勒頻移值fD，數據處理系統將θi、θs、fD值代入公式(1)進行計算，得到所待測物體3的實時速度值。
採用波長852nm的半導體雷射器，這個波長也是Cs可調諧原子濾光器的透光窗口之一。測速時取θi為60°，θs取120°，則cos(θi)-cos(θs)＝1。由於Cs可調諧原子濾光器有三個透光窗口，每一個均可作為測速用。在磁場強度100G，溫度80℃時，利用中間透射峰561時，測速可利用帶寬約為2GHzJ.Menders，K.Benson，Ultranarrow Line Filtering Usinga Cs Faraday Filter at 852nm，Optics Letters，16(11)，1991，pp846-848，由(1)式可知測速範圍可以達到1700m/s；Cs法拉第可調諧原子濾光器的兩側透光窗口562、563測速可利用帶寬約為300MHz，可知測速範圍為小於260m/s，測速範圍還可通過磁場和溫度的調節增大和減小。
權利要求
1.一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特徵在於它由雷射器(1)、待測物體(3)上、可調諧原子濾光器(5)、信號接收及數據處理系統(6)、雷射頻率檢測器(7)組成，其位置關係是由雷射源(1)發出的雷射束(2)照射到待測物體(3)上，由待測物體(3)散射的光(4)經由可調諧原子濾光器(5)濾波後，由信號接收及數據處理系統(6)接收並處理得到待測物體(3)的速度值，所述的雷射頻率檢測器(7)用於探測雷射源(1)頻率波動並實時控制可調諧原子濾光器(5)予以補償。
2.根據權利要求1所述的採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特徵在於所述的雷射源(1)採用單模半導體雷射器(11)，該單模半導體雷射器(11)發出的雷射束經準直系統(12)準直為光束(2)入射至待測物體(3)。
3.根據權利要求1所述的採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特徵在於所述的可調諧原子濾光器(5)採用Cs原子蒸汽作為濾光介質，Cs原子腔長2.5cm。
4.根據權利要求1所述的採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特徵在於所述的信號接收及數據處理系統(6)由高靈敏度的光電倍增管(61)和計算機(62)構成。
5.根據權利要求1所述的採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特徵在於被待測物體(3)所散射的散射光(4)收集後被分光鏡(81)分為等強度的兩束(I)和(II)，其中一束(II)經反射鏡(91、92、82)後進入探測器(61)；另一束(I)經可調諧原子濾光器(5)後進入探測器(61)。
全文摘要
一種採用可調諧原子濾光器的雷射都卜勒測速儀器，其特點在於它由雷射器、待測物體、可調諧原子濾光器、信號接收及數據處理系統和雷射頻率檢測器組成，其位置關係是由雷射源發出的雷射束照射到待測物體上，由待測物體散射的光經由可調諧原子濾光器濾波後，由信號接收及數據處理系統接收並處理得到待測物體的速度值，所述的雷射頻率檢測器用於探測雷射源頻率波動並實時控制可調諧原子濾光器予以補償。本發明的優點就是通過溫度和磁場控制移動原子濾光器的中心頻率和帶寬，實現待測物體測速範圍的動態可調和高精度的速度測量。可以通過調節原子濾光器的透過譜，使之與雷射器實際發射頻率相匹配，以此來消除雷射器頻率漂移的影響。
文檔編號G01P3/36GK1553196SQ200310122619
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者周常河, 羅紅心 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所