DE3113089A1

DE3113089A1 - "messkopf fuer ein laser-doppler-vibrometer"

Info

Publication number: DE3113089A1
Application number: DE19813113089
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Phys. Dr. 3300 Braunschweig Stoffregen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-10-21

Description

MESSKOPF FÜR EIN LASER-DOPPLER-VIBROMETER
e Die Erfindung betrifft einen Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Wie beispielsweise in der DISA-Iniormation Nr. 18, September 1975, Seiten 15 ff., anhand eines auf dem Markt befindlichen Gerätes auseinandergesetzt, läßt sich durch Ausnutzung des Laser-Doppler-Effekts die momentane Geschwindigkeit einer Objektoberfläche parallel zu einem auftreffenden Laserstrahl mit hoher Zeitauflösung messen Man kann daher an verschiedenen Objektpunkten die Schwingschnelle zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich messen und daraus wichtige Aussagen uber das Schwingungsverhalten von Bauteilen, beispielsweise in der Automobiltechnik, gewinden Ein Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist aus der genannten Literaturstelle bekannt. Der Laserstrahl wird dort mittels dem Laser unmittelbar nachgeschal teter Prismen in den Primärstrahl und den Vergleichsstrahl aufgespalten, in dessen Weg die bei diesem Stand der Technik ausschließlich als Frequenzshifter ausgenutzte Braggzelle liegt Die Eigenschaft der Braggzelle, außerdem eine Strahlaufspaltung in einen Strahl 0. Ordnung und in Strahlen höherer Ordnungen vorzunehmen, erfordert bei dem bekannten Vibrometer die Abschattung aller Strahlen bis auf den Strahl 1. Ordnung sowie die Wahl der Steuerspannung der Braggzelle so, daß der Strahl 1. Ordnung besonders intensitätsreich ist Dies führt verständlicherweise zu einem Intensitäts- oder Lichtverlust; außerdem ist es schwierig, in vom Meßprinzip her erwünschter Weise bei der Überlagerung der am Objekt rückgestreuten Strahlung mit dem Vergleichsstrahl etwa gleiche Intensitäten dieser beiden Strahlungen zu erzielen.
Auch hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus besitzt das bekannte Vibrometer Nachteile, da die Anordnung der als Strahlteiler verwendeten Prismen sehr toleranzkritisch ist.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, der bei Verringerung der Anzahl der Bauteile mit engen Anordnungstoleranzen am Ort der Überlagerung höhere Strahlintensitäten sicherstellt und in einfacher Weise die Möglichkeit bietet, im weiteren Strahlteiler, also am Ort der Überlagerung, die rückgestreute Strahlung und den Vergleichsstrahl etwas intensitätsgleich zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Lösung der Aufgabe gleichsam durch Verringerung der Bestandteile des Vibrometers gegenüber dem oben diskutierten Stand der Technik erfolgt. Insbesondere wird eine von vornherein vorhandene, bei dem bekannten Vibrometer störende Eigenschaft der Braggzelle, nämlich ihre Wirkung als Strahlteiler, bewußt ausgenutzt und damit die beim Stand der Technik hierzu vorgesehene Prismenanordnung überflüssig.
Zur Erzielung der zumindest annähernden Intensitätsgleichheit von rückgestreuter Strahlung und Vergleichsstrahl im weiteren Strahlteiler ist es infolge der Abhängigkeit der Intensität der rückgestreuten Strahlung vom Rückstreuverhalten des jeweiligen Objekts erforderlich, eine Justierung im Bereich des Meßkopfes vorzunehmen. Die Erfindung gestattet dies ohne Eingriff in die räumliche Ausrichtung einzelner Bestandteile des Vibrometers allein durch Änderung der Steuerspannung der Braggzelle zu tun.
Daher können alle Bestandteile des erfindungsgemäßen Meßkopfes auf einer starren Grundplatte fest montiert werden, so daß ein ständiges Nachjustieren, wie dies der Stand der Technik erfordert, überflüssig ist Der erfindungsgemäße Meßkopf kann demgemäß besonders kompakt ausgeführt sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 der Darstellung der Optik und deren Fig. 2 der Veranschaulichung der kompakten räumlichen Anordnung dienen.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so liegt im Strahlengang des linear polarisierten Laserstrahls 1 unmittelbår hinter dem Laser 2 die Braggzelle 3, die sowohl der Aufspaltung des Laserstrahls 1 in den Primärstrahl 4 gleicher Frequenz und den Vergleichsstrahl 5 als auch zur Frequenzverschiebung des Vergleichsstrahls 5 gegenüber dem Laserstrahl 1 dient Diese Frequenzverschiebung kann beispielsweise 40 MHz betragen.
Der Primärstrahl 4 durchsetzt den Polarisations-Strahlteiler 6, der später zur Trennung der rückgestreuten Strahlung vom Primärstrahl dient, und die A /4-Platte und wird dann mittels der Optik 8 auf das nicht dargestellte Objekt fokussiert.
Der abgebeugte Vergleichsstrahl 5, enthaltend den Strahl 1. Ordnung, wird über die Spiegel 9 und 10 sowie die A /2-Platte 11 in den weiteren Strahlteiler 12 gelenkt, in dem der Vergleichsstrahl 5 der rückgestreuten Strahlung 13 überlagert wird. Diese wird in den weiteren Strahlteiler 12 durch den Polarisations-Strahlteiler 6 gelenkt, der die Tatsache ausnutzt, daß die rückgestreute Strahlung infolge zweimaligen Durchsetzens der /4-Platte 7 eine um 900 gegenüber dem Primärstrahl 4 gedrehte Polarisationsebene aufweist.
Mittels einer am weiteren Strahlteiler 12 angeordneten Fotoelektronik mit den Fotodioden 14 und 15 wird die Lichtintensität der durch die beschriebene Überlagerung entstehenden Strahlung erfaßt und die Schwebungsfrequenz ermittelt, die je nach der Geschwindigkeit der Objektbewegung relativ zum Primärstrahl 4 beispielsweise um 40 MHz varüert.
Die Steuerspannung der Braggzelle 3 wird in Abhängigkeit von dem Rückstreuverhalten des jeweiligen Objekts so eingestellt, daß der Vergleichsstrahl 5 und die rückgestreute Strahlung 13 im weiteren Strahlteiler 12 zumindest ungefähr die gleiche Intensität haben.
Fig. -2 zeigt die räumliche Anordnung der verschiedenen Bestandteile des Meßkopfes.
Auf der steifen Grundplatte 20 sind der Laser 2 und die Braggzelle 3 längs einer Seitenkante angeordnet; die Strahlen werden über Spiegel 21 und 22 in die Optik 23 gelenkt, der der Spiegel 24 nachgeordnet ist, der die optische Verbindung mit dem Objekt herstellt Eine mechanische Verstellung der Bestandteile des Meßkopfes aus Justierungszwecken ist nicht erforderlich.

Claims

PATENTA NSPR UCH Meßkopf für ein Laser-Doppler-Vibrometer mit einem Laser, einem im Laserstrahl angeordneten Strahlteiler und einer Braggzelle als Frequenzshifter zur Gewinnung sowohl eines Primärstrahls gleicher Frequenz, der auf das Objekt über einen Phasenschieber, der auch von der am Objekt rückgestreuten Strahlung durchsetzt wird, und eine Optik auf das Objekt fokussiert wird, als auch eines gegenüber dem Primärstrahl frequenzverschobenen Vergleichsstrahls, ferner mit einem weiteren Strahlteiler zur Überlagerung der mittels eines polarisationsselektiven Strahlteilers vom Primärstrahl getrennten rückgestreuten Strahlung und des Vergleichsstrahls sowie mit einer Fotoelektronik zur Ermittlung der Schwebungsfrequenz der Intensität der resultierenden Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Braggzelle (3) unmittelbar hinter dem Laser (2) angeordnet ist, sie zugleich den Strahlteiler bildet und ihre Steuerspannung so gewählt ist, daß im weiteren Strahlteiler (12) die rückgestreute Strahlung (13) und der Vergleichsstrahl (5) etwa intensitätsgleich sind.