本发明专利技术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。本发明专利技术结构简单，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。
【技术实现步骤摘要】
基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置
本专利技术属于光学测量
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术结构简单，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。附图说明图I为本专利技术的结构示意图2为本专利技术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为本专利技术应用于后反镜全反的脉冲气体激光器的一种实例；图4为本专利技术中采用的四象限光电探测器的剖面图5为本专利技术的工作流程图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。本专利技术基于上述原理设计而成，下面结合附图对本专利技术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专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术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，本专利技术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所述的本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇跃，杨晨光，左都罗，朱海红，王新兵，卢宏，陆培祥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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