CN1236314C - 采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器 - Google Patents

Abstract

一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特点在于它由激光源、待测物体、可调谐原子滤光器、信号接收及数据处理系统和激光频率检测器组成，其位置关系是：由激光源发出的激光束照射到待测物体上，由待测物体散射的光经由可调谐原子滤光器滤波后，由信号接收及数据处理系统接收并处理得到待测物体的速度值，所述的激光频率检测器用于探测激光源频率波动并实时控制可调谐原子滤光器予以补偿。本发明的优点就是通过温度和磁场控制移动原子滤光器的中心频率和带宽，实现待测物体测速范围的动态可调和高精度的速度测量。可以通过调节原子滤光器的透过谱，使之与激光器实际发射频率相匹配，以此来消除激光器频率漂移的影响。

Description

采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器

技术领域：

本发明涉及激光多普勒测速装置，特别是一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速装置。

背景技术：

当单频激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率将是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。激光频率的变化称为多普勒频移。物体运动的速度和多普勒频移可以用公式精确表示出来：

$f_D=\left|\frac{V}{\mathrm{\λ}}\right[\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_s\right)\left]\right|---\left(1\right)$

其中f_D为多普勒频移，θ_i为入射激光束与所测物体速度的方向夹角，θ_s为散射光束与物体速度方向的夹角，λ为所用激光波长，V为物体运动速度的大小。激光多普勒测速就是通过多普勒频移量f_D的测量，反推计算得出物体的运动速度。

激光多普勒测速与传统的测速技术如毕托管、热线风速仪相比具有很多优越性，是一种非接触测量技术；具有空间分辨率极高；动态响应快；测量精度高、量程大等。激光多普勒效应应用于测速受到各方面的重视，进行了大量的理论分析和实验研究，取得了显著的成绩。目前的激光多普勒测速已经应用到航空、航天、汽车制造、微流体等各种领域，可用于各种流体速度测量、固体表面速度测量及振动等的测量，并取得了引人注目的成果。

激光多普勒测速技术通常采用的方法包括光谱分析法和光混频技术。光谱分析法是利用棱镜或光栅摄谱仪对光波长变化进行分析，从而得到频率变化，由于棱镜和光栅摄谱仪的频率分辨率有限，因此难以在激光多普勒测速中得到广泛应用；光混频技术是将两束频率不同的光混频，获取差频信号，利用差频信号得到光频变化。值得指出的是，作为分光器件的法布里-珀罗标准具，由于具有超精细光谱分辨本领，而在激光多普勒测速中有很大的应用，但法布里-珀罗标准具一旦做好就无法改变，其频率分辨能力也不可改变；而且频率分辨能力仍然有限，不适合所有场合的测速要求。

美国的Menders J.将原子滤光器应用于激光多普勒测速，【MendersJ.，Laser Doppler Velocimetry，United States Patent5502558，1996】测速精度3cm/s，测速范围0～100cm/s。该专利中提到了原子滤光器的特性可通过温度与磁场进行改变，但并没有将这种特性应用于激光多普勒测速中，用来改变测速范围及补偿激光器的频率漂移。

在先的测量方法有一个共同的缺陷——不能实时调谐以适应多种测速要求。测量精度相对较高的法布里-帕罗标准具制造完成之后，不能再进行调节，只能用于一个固定的速度范围测量。而现代科技对测速工具的要求越来越高，除有高的测量精度外，还应该有好的适用性，可以适应于不同测速范围的要求。因此实际应用中，人们特别希望具有可调谐功能的高精度测速仪器。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速装置，以适应于不同测速范围的要求，以消除激光器频率波动产生的影响，实现高精度激光多普勒频移量的测量。

本发明的技术解决构思是：

1、利用原子滤光器作为窄线宽滤波器件，具有带宽窄、全视角接收等优点。原子滤光器对某些波段的光存在着透射峰，这些透射峰并不是分离的线分布，而是有着一定带宽的透过率分布，即透射峰带宽内光束的透过率和其频率有关。利用透过率与频率之间的关系，可以实现高精度激光多普勒频移量的测量。通常用于原子滤光器的介质为碱金属原子蒸汽，如Cs原子，自然界只有一种稳定的Cs同位素即Cs133，在温度120℃与磁场200G时，Cs原子滤光器在852nm波段有三个透射峰，如图3所示。每一个透射峰均可用于测速，中间透射峰561由于可用带宽很窄，透过率-频移曲线变化很快，对于多普勒频移更敏感，可用于小量程速度测量并保持较高的精度；两个边峰的透过率与多普勒频移是条平滑曲线，并具有足够的带宽，所能利用的带宽约4GHz左右，可用于大量程速度测量。【J.Menders，K.Benson，Ultranarrow Line FilteringUsing a Cs Faraday Filter at 852nm，Optics Letters，16(11)，1991，pp846-848】。

2、通过检测激光器1的频率波动，并通过外加磁场或温度的调节使可调谐原子滤光器5的中心透过率发生变化，以此来消除激光器1频率波动产生的影响。激光器频率波动的影响一直是个需要解决的问题，激光器频率波动带来的就是测量速度的误差。为消除这一影响，采用最直接的方法就是激光器的稳频技术。但对大功率激光器，热效应导致的激光腔长的变化，引起激光频率的波动，是难以实现激光稳频的一个重要原因，被动地消除热效应的影响并不是很容易解决的问题。因此，实际中特别希望有能主动消除激光器频率波动的技术和方法。

本发明具体的技术解决方案如下：

一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特点在于它由激光源、待测物体、可调谐原子滤光器、信号接收及数据处理系统和激光频率检测器组成，其位置关系是：由激光源发出的激光束照射到待测物体上，由待测物体散射的光经由可调谐原子滤光器滤波后，由信号接收及数据处理系统接收并处理得到待测物体的速度值，所述的激光频率检测器用于探测激光源频率波动并实时控制可调谐原子滤光器予以补偿。

所述的激光源采用单模半导体激光器，该单模半导体激光器发出的激光束经准直系统准直为平行光束入射至待测物体。

所述的可调谐原子滤光器采用Cs原子蒸汽作为滤光介质，Cs原子腔长2.5cm。

所述的信号接收及数据处理系统由高灵敏度的光电倍增管和计算机构成。

被待测物体所散射的散射光收集后被分光镜分为等强度的两束，其中一束经三块反射镜后进入光电倍增管；另一束经可调谐原子滤光器后进入光电倍增管。

提供一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速技术，如图1所示。其核心是利用原子滤光器的可调谐性来调节测速范围，通过控制磁场和温度，可移动可调谐原子滤光器的中心透过率和带宽，实现了动态可调的速度范围和高精度的速度测量，适用于不同的测速要求。在原子滤光器激光多普勒测速技术中，利用原子滤光器的可调谐性，扩大了多普勒测速系统速度的测量范围，提高了速度测量的精度。

本发明采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，如图1所示。由激光源1发出的激光束2照射到待测物体3上，由待测物体3散射的光4经由可调谐原子滤光器5滤波后，由信号接收及数据处理系统6接收并处理得到待测物体3的速度值。7为激光频率检测器，激光器频率波动可以由激光频率检测器7探测到，并用于实时控制可调谐原子滤光器5，以此消除激光器频率波动造成的影响。

可调谐原子滤光器除具有一般原子滤光器的窄带宽、全视角接收等优点外，还具有透光通道在一定范围内连续可调，中心透过波长可调的优点，如图2所示。这种滤光器一般是利用碱金属蒸汽作为滤光介质。可调谐原子滤光器的透过率可表示为

T(v)＝[exp(-α+z)+exp(-α_z)]sin²δ           (2)

$\mathrm{\δ}\left(v\right)=\frac{\mathrm{\πvz}}{c}[n\_\left(v\right)-n_{+}\left(v\right)]---\left(3\right)$

$\mathrm{\α}\left(v\right)=\frac{N{\mathrm{\λ}}_0^2}{8\mathrm{\π}}\frac{g_i}{g_k}{A}_{\mathrm{ik}}\frac{\frac{\mathrm{\Γ}}{2\mathrm{\π}}}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Γ}}{2}\right)}^2}---\left(4\right)$

$n\left(v\right)-1=-\frac{N{\mathrm{\λ}}_0^2}{32{\mathrm{\π}}^3}\frac{g_i}{g_k}{A}_{\mathrm{ik}}\frac{\mathrm{\Δv}}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Γ}}{2}\right)}^2}---\left(5\right)$

N＝9.66×10¹⁸p/T(atoms/cm³)                    (6)

logp＝11.0531-4041/T-1.35logT

Δv＝μ_BB/h                                    (7)

z为法拉第腔的长度，v为光频率，在测速时相当于公式1中的f_D，n为折射率，α为吸收系数，N为原子密度，λ₀为原子跃迁波长，Γ为自然线宽，A_ik为爱因斯坦A系数，h为普朗克常数，μ_B为玻尔磁子，脚标+、-代表塞曼分裂产生的两个偏振分量。由式(2)～(7)可以看出原子滤光器的透过率是温度与磁场强度的函数，因此可以通过外加磁场或温度的变化来调节法拉第原子滤光器的透射谱。

对于Cs原子法拉第反常色散滤光器来说，存在三个明显的透射峰，如图3所示，这三个透光窗口均可用于测速。由于可调谐原子滤光器的透过率是温度和磁场强度的函数，因此可以通过调节这两个参数来实现对可调谐原子滤光器的透射谱的调谐。当磁场强度增大时，透射峰分别向长波方向移动，同时两透射峰频率间距加大，而且每个透射峰的带宽加宽，其中透射峰的频移和带宽随磁场调节的示意关系分别如图4、5所示。原子滤光器的工作气体温度改变同样可以达到调节的效果，温度升高时法拉第反常色散滤光器边锋调谐特性与磁场强度增大结果相似。Cs原子滤光器的中心透光窗口561带宽较窄，透射率对频移的变化很敏感，适合于低速高精度的测量；两侧透光窗口562、563带宽较宽，透射率对频移的变化相对于窗口561较不敏感，适合于高速测量场合。而且每个测量窗口的带宽还可以通过磁场调节来改变，从而进一步增大测量范围。利用原子滤光器的可调谐特性可实现比较大的速度测量范围，如图6所示。

由Cs原子滤光器的透射谱线可看出一定频段的光能透过率与多普勒频移呈单调变化，所以得到其透过率就可以得到相应的多普勒频移量，从而计算出速度值。可以采用两种结构来实现，这两种结构的本质都是得到可调谐原子滤光器的实时透过率值。其一为双接收光路结构，接收光被分束器件分为等强度的两束，一束通过可调谐原子滤光器进入探测器，一束被反射后做为参考光直接进入探测器，由两束光的强度之比可以得到滤光器透过率的变化，由此得到多普勒频移值。另一种为单接收光路结构，不需要参考光束。首先对可调谐原子滤光器的透过率随激光频移的变化进行精确的标定，测量时采用标定值进行对比，然后计算即可得到所需的速度值。双接收光路系统结构相对比较复杂，但由于采用了参考光实时测量可调谐原子滤光器的透过率，具有测量精度高的优点；单路光系统结构简单、紧凑，所用器件很少，由于采用标定的透过率随多普勒频移变化曲线作为标准，测量精度就决定于标定精度；而且当可调谐原子滤光器性质有所变化时，需要重新标定。两种系统各有利弊，实用中可以视具体要求选择不同的系统。

激光器的频率波动是一个在实际应用中必须考虑的严重问题。对于小型的半导体激光器，可以采取精密的温度控制来被动地抑制激光器的频率波动。但对于激光测速，往往需要大功率的激光器，其热效应引起的激光频率波动非常明显，此时最好还是采用主动频率波动消除的措施。采用可调谐原子滤光器的一个优点是可以消除测量过程中激光器产生的频率抖动，如图7所示。对激光器工作时频率进行实时监测，将频移量反馈到可调谐原子滤光器的控制系统，利用原子滤光器的可调谐性，实时调节原子滤光器的透射谱，使透射峰与激光器实际发射频率相吻合，以此来消除激光器的频率漂移。

本发明与在先技术相比具有的优点：

1.可调谐原子滤光器透光频率的连续可调保证了测量范围的连续可调，可用于更广泛的速度测量场合；

2.由于可调谐原子滤光器的透光窗口可以调节，测速时可以采用对多普勒频移比较敏感的透光窗口，因此可以实现高的测速精度；

3.通过探测到的激光器的频率波动，实时调节可调谐原子滤光器的中心透过率，可自动地消除激光器频率波动的影响。

附图说明：

图1为采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速系统示意图；

图2为可调谐原子滤光器原理示意图；

图3为铯原子滤光器在852nm波段磁场强度200G，温度120℃时透过率曲线示意图；

图4为可调谐原子滤光器中心透射波长随磁场强度的变化示意图；

图5为可调谐原子滤光器可利用带宽随磁场强度的变化示意图；

图6为多普勒频移与速度关系图；

图7为原子滤光器调谐补偿激光器频移示意图；

图8为本发明具体实施例结构示意图

具体实施方式：

图8为本发明具体实施例示意图。为双光路结构。采用单模半导体激光器11作为激光源1，可调谐原子滤光器5采用Cs原子蒸汽作为滤光介质，Cs原子腔长2.5cm，光电倍增管61采用高灵敏度的光电倍增管。温度恒定，通过原子蒸汽腔外的线圈电流变化调节磁场强度来控制原子滤光器5的透射谱。

激光器11出射的激光束经准直系统12准直为光束2入射至待测物体3，激光束除透射外，还有一部分被物体散射和反射，散射与反射的激光束中包含了所测的激光多普勒频移信息。散射光4收集后被分光镜81分为等强度的两束I和II。其中一束II经三块反射镜91、92、82后进入高灵敏度的光电倍增管61；另一束I经可调法拉第原子滤光器5后进入高灵敏度的光电倍增管61。由于不同波长的激光束经过可调谐原子滤光器的透过率不同，同时进入光电倍增管61的光束I被II归一化，就可以直接得到该波长光束的透过率，由数据处理系统62就可得到所测物体的实时速度，数据处理系统可以采用个人计算机。测速的同时由激光频率检测控制器7对激光器11的频率漂移进行检测，同时对原子滤光器5进行控制，通过外加线圈电流调节其磁场强度，使其透射峰与激光器11出射频率吻合。

原子滤光器在不同温度、磁场强度下的透射谱可以由实验得到并存入数据处理系统62。测量时由实际情况确定θ_i与θ_s值，实时的透过率输入到数据处理系统62，并与当时所采用原子滤光器的透射谱进行比较，得到相应的多普勒频移值f_D，数据处理系统将θ_i、θ_s、f_D值代入公式(1)进行计算，得到所待测物体3的实时速度值。

采用波长852nm的半导体激光器，这个波长也是Cs可调谐原子滤光器的透光窗口之一。测速时取θ_i为60°，θ_s取120°，则cos(θ_i)-cos(θ_s)＝1。由于Cs可调谐原子滤光器有三个透光窗口，每一个均可作为测速用。在磁场强度100G，温度80℃时，利用中间透射峰561时，测速可利用带宽约为2GHz【J.Menders，K.Benson，Ultranarrow Line Filtering Usinga Cs Faraday Filter at 852nm，Optics Letters，16(11)，1991，pp846-848】，由(1)式可知测速范围可以达到1700m/s；Cs法拉第可调谐原子滤光器的两侧透光窗口562、563测速可利用带宽约为300MHz，可知测速范围为小于260m/s，测速范围还可通过磁场和温度的调节增大和减小。

Claims (5)

1、一种采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特征在于它由激光源(1)、待测物体(3)、可调谐原子滤光器(5)、信号接收及数据处理系统(6)、激光频率检测器(7)组成，其位置关系是：由激光源(1)发出的激光束(2)照射到待测物体(3)上，由待测物体(3)散射的光(4)经由可调谐原子滤光器(5)滤波后，由信号接收及数据处理系统(6)接收并处理得到待测物体(3)的速度值，所述的激光频率检测器(7)用于探测激光源(1)频率波动并实时控制可调谐原子滤光器(5)予以补偿。

2、根据权利要求1所述的采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特征在于所述的激光源(1)采用单模半导体激光器(11)，该单模半导体激光器(11)发出的激光束经准直系统(12)准直为光束(2)入射至待测物体(3)。

3、根据权利要求1所述的采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特征在于所述的可调谐原子滤光器(5)采用Cs原子蒸汽作为滤光介质，Cs原子腔长2.5cm。

4、根据权利要求1所述的采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特征在于所述的信号接收及数据处理系统(6)由高灵敏度的光电倍增管(61)和计算机(62)构成。

5、根据权利要求1所述的采用可调谐原子滤光器的激光多普勒测速仪器，其特征在于被待测物体(3)所散射的散射光(4)收集后被分光镜(81)分为等强度的两束(I)和(II)，其中一束(II)经反射镜(91、92、82)后进入光电倍增管(61)；另一束(I)经可调谐原子滤光器(5)后进入光电倍增管(61)。

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