DE3406142A1

DE3406142A1 - Laser diode/laser Doppler anemometer

Info

Publication number: DE3406142A1
Application number: DE19843406142
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr. 3300 Braunschweig Dopheide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1984-10-11
Also published as: JPS60249063A

Abstract

The invention relates to the field of flow measurement engineering by means of laser Doppler anemometry. The application concerns a laser Doppler anemometer of miniature design based on laser diodes of tunable wavelength with wavelength stabilisation. Different optimised possibilities are described for using laser diode anemometers, and arrangements are explained for single- and multi-component anemometers, in particular for 3 orthogonal velocity components. A temperature-controlling element 12 of the laser diode 1 enables wavelength tuning and, in conjunction with a current-regulating device 13, stabilisation of wavelength and output. A current modulation device 14 and 14a can be used to produce frequency mixing of the Doppler frequency and the modulation frequency, so that it is possible to shift the Doppler frequency. The invention enables the construction of miniature laser Doppler anemometers of the very smallest dimensions and lightest design for all purposes of flow measurement engineering. <IMAGE>

Description

Bezeichnung der Erfindung: Laserdioden-Laser-Doppler-AnemometerName of the invention: Laser diode laser Doppler anemometer

Die Erfindung betrifft ein Laser-Doppler-Anemometer zur Messung von Geschwindigkeiten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, welches als Lichtquelle Laserdioden verwendet. Der Einsatz von (abstimmbaren) Laserdioden ermöglicht einen kompakten, miniaturisierten Aufbau von Laser-Doppler-Anemometern auf billige Weise, mit dem 1 bis 3 Geschwindigkeitskomponenten gemessen werden können.The invention relates to a laser Doppler anemometer for measuring Speeds according to the preamble of claim 1, which are laser diodes as the light source used. The use of (tunable) laser diodes enables a compact, miniaturized construction of laser Doppler anemometers in a cheap way, with the 1 to 3 speed components can be measured.

Laser-Doppler-Anemometer sind an sich aus der Literatur her wohlbekannt und hinsichtlich der verschiedenen physikalischen Meßprinzipien wie Kreuzstrahl- oder Referenzstrahl-Verfahren und der verschiedenartigen Möglichkeiten zur Messung von mehreren Geschwindigkeitskomponenten erprobt. Grundsätzlich werden voluminöse Gas laser eingesetzt oder das Laserlicht mit Lichtleitfasern zur Sendeoptik des Anemometers übertragen. Der Stand der Technik wird in folgenden Lehrbüchern und Konferenzberichten beschrieben: 1. Durst, F.; Melling, A.; Whitelaw, J.H.: "Principles and Practice of Laser-Doppler-Anemometry" Second edition, Academic Press 1981 2. Drain, C.E.: "The laser Doppler technique" John Wiley & Sons 1980, Seiten 65-67; 74-76; 86-97; 131-135; 156-181; 199-225 3. Durani und Greated: "Laser Systems in Flow Measurement" Plenum Press 1977, Seiten 77-100 4. R.J. Adrian: Laser Velocimetry in: Fluid Mechanics Measurement, Herausgeber: R.J. Goldstein Hemisphere Publishing Corporation 1983, Seiten 159-163 und 178-181 5. Laser Velocimetry and Particle Sizing, Herausgeber: H. Doyle Thompson, Warren H. Stevenson, Hemisphere Publishing Corporation 1979 International Workshop on Laser Velocimetry Purdue University 1978, Seiten 15-25; 147-157 6. TSI-Firmenkatalog: Laser Velocimetry Systems Thermo-Systems Incorporated P.O. Box 43394, St. Paul, MN 55 164, USA 7. International Symposium on Applications of Laser-Doppler-Anemometry to Fluid Mechanics, 5-7 July 1982, Lissabon, Konferenzbericht, Session 13, papers 13.1 bis 13.6 8. The accuracy of Flow Measurements by Laser Doppler Methods Proceedings of the LDA-Symposium Copenhagen 1975 Seite 490-497; 498-504; 522-523; 523-564; 624-643; 644-662 9. Engineering Applications of Laser Velocimetry, Proceedings of The Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers, Phoenix, Arizona, November 14-19,1982 Editors: Hugh W. Coleman und P.A. Pfund The American Society of Mechanical Engineers 1982 Seiten 137-143 und 163-170 Entsprechend dem Stand der Technik werden in sämtlichen bisher erstellten Laser-Doppler-Anemometern wie in der Literatur beschrieben Gas laser eingesetzt und auch die Hersteller von f kommerziell erhältlichen Laser-Doppler-Anemometern, Thermo Systems, USA; DISA, Dänemark und Opto-Elektronische Instrumente, Karlsruhe, setzen grundsätzlich Gaslaser wie Helium-Neon- oder Argon-Laser ein.Laser Doppler anemometers are well known per se from the literature and with regard to the various physical measuring principles such as cross-beam or reference beam method and the various possibilities for measurement Tried and tested by several speed components. Basically they are voluminous Gas laser used or the laser light with optical fibers for the transmission optics of the Transfer anemometer. The prior art is described in the following textbooks and Conference reports described: 1. Durst, F .; Melling, A .; Whitelaw, J.H .: "Principles and Practice of Laser-Doppler-Anemometry "Second edition, Academic Press 1981 2. Drain, C.E .: "The laser Doppler technique" John Wiley & Sons 1980, pp. 65-67; 74-76; 86-97; 131-135; 156-181; 199-225 3. Durani and Greated, "Laser Systems in Flow Measurement "Plenum Press 1977, pp. 77-100 4. R.J. Adrian: Laser Velocimetry in: Fluid Mechanics Measurement, editor: R.J. Goldstein Hemisphere Publishing Corporation 1983, pp. 159-163 and 178-181 5. Laser velocimetry and Particle Sizing, Editors: H. Doyle Thompson, Warren H. Stevenson, Hemisphere Publishing Corporation 1979 International Workshop on Laser Velocimetry Purdue University 1978, pages 15-25; 147-157 6. TSI company catalog: Laser Velocimetry Systems Thermo-Systems Incorporated P.O. Box 43394, St. Paul, MN 55 164, USA 7th International Symposium on Applications of Laser-Doppler-Anemometry to Fluid Mechanics, 5-7 July 1982, Lisbon, Conference report, Session 13, papers 13.1 to 13.6 8. The accuracy of Flow Measurements by Laser Doppler Methods Proceedings of the LDA-Symposium Copenhagen 1975 page 490-497; 498-504; 522-523; 523-564; 624-643; 644-662 9. Engineering Applications of Laser Velocimetry, Proceedings of The Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers, Phoenix, Arizona, November 14-19,1982 Editors: Hugh W. Coleman and P.A. Pound The American Society of Mechanical Engineers 1982 pages 137-143 and 163-170 According to the state of the art, in all so far created laser Doppler anemometers as described in the literature gas laser used and also the manufacturers of commercially available laser Doppler anemometers, Thermo Systems, USA; DISA, Denmark and Opto-Electronic Instruments, Karlsruhe, basically use gas lasers such as helium-neon or argon lasers.

Mit diesen Gaslasern können Mehrkomponenten-Anemometer verschiedener Bauarten realisiert werden. Da jedoch Gaslaser, insbesondere Argon-Laser sehr voluminös, kostspielig und sehr schwer (ca. 30 kg) sind und da darüberhinaus in der Regel beim Messen von Fluidgeschwindigkeiten in der Strömungsmechanik die Sende- und Empfangsoptiken traversiert werden müssen, was aufwendige mechanische Verschiebeeinrichtungen zur Folge hat, kommt dem kennzeichnenden Teil a des Anspruches 1, dem Einsatz von Laserdioden, die schon sehr billig zu erwerben sind, nur wenige Gramm wiegen und Abmessungen von nur wenigen Millimetern haben, große Bedeutung zu. Darüberhinaus ist in den nächsten Jahren mit einer stürmischen Weiterentwicklung von Laserdioden zu rechnen, insbesondere solchen für den sichtbaren Wellenlängenbereich, die darüberhinaus bei sinkendem Preis mehr Lichtleistuny liefern.With these gas lasers, multi-component anemometers can be used for different Types are realized. However, since gas lasers, especially argon lasers, are very voluminous, are expensive and very heavy (approx. 30 kg) and, as a rule, with Measuring fluid velocities in fluid mechanics using the transmitting and receiving optics Must be traversed, which requires complex mechanical displacement devices Has consequence, comes the characterizing part a of claim 1, the use of laser diodes, which are already very cheap to buy, weigh only a few grams and have dimensions of only a few millimeters are of great importance. In addition, the next years with a rapid development of laser diodes to be expected, in particular those for the visible wavelength range that goes beyond that deliver more light output with falling prices.

Eine Reihe von Anwendern haben versucht, das Laserlicht von Gaslasern über Lichtwellenleiter zur Sendeoptik des Anemometers zu leiten, um statt des gesamten Anemometers nur noch einzelne Bauteile wie Strahlteiler und Linsen zu traversieren, was jedoch erhebliche Justierprobleme mit sich bringt (DISA, Dänemark). Die Einkoppelung des Lichtes in eine Lichtleitfaser ist jedoch technisch aufwendig und in der Regel mit erheblichen Lichtverlusten verbunden. Die vorliegende Erfindung bewirkt durch den kennzeichnenden Teil a von Anspruch 1 erhebliche konstruktive Vereinfachungen bei der Entwicklung von Anemometern, der Konzeption von Traversiereinrichtungen und kann in vielen Fällen die Lichtübertragung durch Lichtwellenleiter überflüssig machen.A number of users have tried the laser light from gas lasers via fiber optics to the transmission optics of the anemometer to instead of the entire Anemometer to traverse only individual components such as beam splitters and lenses, which, however, brings with it considerable adjustment problems (DISA, Denmark). The coupling of the light in an optical fiber is technically complex and usually associated with considerable loss of light. The present invention is effected by the characterizing part a of claim 1 significant structural simplifications in the development of anemometers, the design of traversing devices and in many cases the light transmission through fiber optics can be superfluous do.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik ein Laser-Doppler-Anemometer zu schaffen, welches in Verbindung mit dem Einsatz von Lichtquellen auf Halbleiterbasis (Laserdioden), den Aufbau von kompakten und miniaturisierten Laser-Anemometern zur Messung von 1 bis 3 Geschwindigkeitskomponenten gestattet und neue, einfache Möglichkeiten zur optischen Frequenzmischung bietet.It is the object of the present invention to oppose that shown Prior art to provide a laser Doppler anemometer, which in conjunction with the use of light sources based on semiconductors (laser diodes), the construction of compact and miniaturized laser anemometers for measuring 1 to 3 speed components and offers new, simple options for optical frequency mixing.

Diese Aufgabe wird bei einer Erstellung der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale a bis e im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.This task is carried out with a creation of the generic type the features a to e in the characterizing part of claim 1 solved.

An Hand der Zeichnungen soll der Erfindergedanke verdeutlicht werden. Es zeigen: Figur 1: Schematische Darstellung eines Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis Figur 2: Prinzipaufbau eines Laserdioden-Laser-Doppler-Anemometers zur Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente u3 in Richtung der optischen Achse des Anemometers Figur 3: Darstellung eines 3-Komponenten-Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis zur Messung von 3 orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten u1 , u2 und u3 Figur 4: Darstellung eines 3-Komponenten-Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis zur Messung von 3 nicht orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten Der Anspruch 1 wird in Figur 1 erläutert: Der aus einer Laserdiode 1 austretende divergente Laserstrahl 16 wird mittels eines Mikroskopobjektives oder Sammellinsen 5 gebündelt über einen Strahlteiler 7 in zwei parallele Teilstrahlen 17 und 18 gleicher Intensität aufgeteilt und über eine Linse 8 in den Brennpunkt 15 fokussiert. Der Brennpunkt 15 stellt das MeS-volumen 15 des Laser-Doppler-Anemometers dar. Die Teilstrahlen 1-7 und 18 werden von den Strahlfallen 19 aufgefangen und nur das vom Meßvolumen 15 ausgehende Streulicht 20 über die Linsen 9 und eine Blende 10 auf einen Photomultiplier 11 gelenkt.The idea of the inventor should be clarified with the aid of the drawings. They show: FIG. 1: A schematic representation of a laser Doppler anemometer Laser diode base Figure 2: Basic structure of a laser diode laser Doppler anemometer for measuring a third speed component u3 in the direction of the optical Axis of the anemometer Figure 3: Representation of a 3-component laser Doppler anemometer based on laser diodes for measuring 3 orthogonal velocity components u1, u2 and u3 Figure 4: Representation of a 3-component laser Doppler anemometer based on laser diodes for measuring 3 non-orthogonal velocity components Claim 1 is explained in FIG. 1: The one emerging from a laser diode 1 divergent laser beam 16 is by means of a microscope objective or converging lenses 5 bundled via a beam splitter 7 into two parallel partial beams 17 and 18 of the same type Intensity divided and focused into the focal point 15 via a lens 8. Of the Focal point 15 represents the MeS volume 15 of the laser Doppler anemometer. The partial beams 1-7 and 18 are caught by the beam traps 19 and only that of the measuring volume 15 outgoing scattered light 20 via the lenses 9 and a diaphragm 10 onto a photomultiplier 11 steered.

Der Astigmatismus des von der Laserdiode ausgehenden Strahls 16 kann durch ein anamorphisches Prismenpaar 6 weitestgehend beseitigt werden, falls dies gewünscht wird. Alternativ kann an Stelle von 6 auch ein System von gekreuzten Zylinderlinsen zur Erzielung einer anamorphotischen Abbildung verwendet werden.The astigmatism of the beam 16 emanating from the laser diode can can be largely eliminated by an anamorphic pair of prisms 6, if this it is asked for. Alternatively, instead of 6, a system of crossed cylinder lenses can also be used can be used to achieve an anamorphic image.

Die Laserdiode 1 wird auf einem Montageblock 2 montiert, der wiederum auf Peltier-Elementen 3 befestigt ist. Die von den Peltier-Elementen 3 erzeugte Wärme wird über einen Kühlkörper 4 abgeführt.The laser diode 1 is mounted on a mounting block 2, which in turn is attached to Peltier elements 3. The generated by the Peltier elements 3 Heat is dissipated via a heat sink 4.

Der besondere Vorteil dieses Aufbaues und die erfinderische Aufgabe liegt darin, daß eine miniaturisierte sehr leichte und billige Lichtquelle an Stelle herkömmlicher Gaslaser eingesetzt wird.The particular advantage of this structure and the inventive task resides in having a miniaturized very light and inexpensive light source in place conventional gas laser is used.

Die Laserdiode 1 hat nur die Abmessungen weniger Millimeter und bietet damit die Gewähr zur Erfüllung des kennzeichnenden Teils e des Anspruchs 1. Bedeutung kommt dabei der Auswahl einer Laserdiode zu, die die für den Einsatz in einem Laser-Doppler-Anemometer geeigneten Eigenschaften A bis E hat: A: Abstrahlung in nur einer transversalen Mode um ein Meßvolumen 15 zu erzielen, das eine symmetrische und etwa gaußförmige Intensitätsverteilung aufweist B: Bei Verwendung von Laserdioden mit einem Verhältnis der Strahldivergenzen kleiner 1:2 kann in den meisten Pnwendungs- fällen der Strömungsmeßtechnik eine Verringerung des Astigmatismus durch 6 entfallen.The laser diode 1 only has the dimensions of a few millimeters and offers thus the guarantee for the fulfillment of the characterizing part e of claim 1. Significance It is up to the selection of a laser diode that is suitable for use in a laser Doppler anemometer suitable properties A to E has: A: radiation in only one transversal Mode to achieve a measurement volume 15 that is symmetrical and approximately Gaussian The intensity distribution has B: When using laser diodes with a ratio the beam divergences less than 1: 2 can be used in most applications felling the flow measurement technique a reduction of the astigmatism by 6 is omitted.

C: Der Einsatz von Laserdioden, die auf mehrere longitudinalen Moden abstrahlen, erfordert einen weglängenkompensierten Strahlteiler 7,um interferenzfähige Teilstrahlen 17 und 18 zu erzeugen,tdie Teilung kann auch ggf. anders realisiert werden.C: The use of laser diodes operating on multiple longitudinal modes radiate, requires a path length-compensated beam splitter 7 in order to be capable of interference To generate partial beams 17 and 18, the division can also be implemented differently if necessary will.

D: Laserdioden mit nur einer longitudinalen Mode ermöglichen auch die Verwendung von nicht weglängenkompensierten Strahlteilern und sind auf Grund der erzielbaren großen Kohärenzlängen von mehr als 8 Metern besonders der Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente geeignet.D: Laser diodes with only one longitudinal mode also make it possible the use of beam splitters that are not path length compensated and are due to the achievable long coherence lengths of more than 8 meters, especially the measurement a third speed component suitable.

E: Laserdioden sind auch bereits im sichtbaren ETellenlängenbereich erhältlich, so daß zur Sichtbarmachung der Strahlung Infrarotwandlerschirme entfallen können.E: Laser diodes are already in the visible E wavelength range available, so that infrared converter screens are not required to make the radiation visible can.

Die kennzeichnenden Merkmale b und c des Anspruches 1 werden entsprechend Figur 1 durch den Temperaturregelkreis 12, die Konstantstromregelung 13 und den Modulationsgenerator 14 in Verbindung mit einem Anpassungsnetzwerk 14a realisiert. Ein im Montageblock eingebauter Thermistor mißt die Temperatur des Montageblocks 2 und ermöglicht in Verbindung mit Peltier-Elementen 3 und Temperaturregelkreis 12 eine genaue Temperaturstabilisierung und damit eine Wellenlängenstabilisierung der Laserdiode 1. Der Sollwert der Temperatur kann am Temperaturregler 12 eingestellt werden, so daß eine Wellenlängenabstimmung der Laserdiode möglich ist, da die abgestrahlte Wellenlänge von der Temperatur der Laserdiode abhängt. Dies ist besonders dann vorteilhaft, falls gleichzeitig mehrere Laserdioden in einem Anemometer zur Messung mehrerer Geschwindigkeitskomponenten eingesetzt werden. Uber eine Konstantstromregelung 13 wird der der Laserdiode aufgeprägte Betriebsstrom eingestellt und die Lichtleistung kontinuierlich einstellbar.The characterizing features b and c of claim 1 are accordingly Figure 1 through the temperature control circuit 12, the constant current control 13 and the Modulation generator 14 implemented in conjunction with a matching network 14a. A thermistor built into the mounting block measures the temperature of the mounting block 2 and enables in connection with Peltier elements 3 and temperature control circuit 12 an exact temperature stabilization and thus a wavelength stabilization the laser diode 1. The setpoint of the temperature can be set on the temperature controller 12 so that a wavelength adjustment of the laser diode is possible, since the emitted Wavelength depends on the temperature of the laser diode. This is particularly advantageous if several laser diodes in one anemometer to measure several at the same time Speed components are used. Via a constant current control 13 the operating current impressed on the laser diode and the light output are set continuously adjustable.

Ein Modulationsgenerator 14 ermöglicht in Verbindung mit einem Netzwerk 1 4a eine Frequenz und Intensitätsmodulation des Laser lichtes im Nieder- und Hochfrequenzbereich durch eine Strommodulation um einen Arbeitspunkt, der von der Stromregelung 13 vorgegeben wird. Diese Intensitätsmodulation des Laserlichtes bewirkt im l'hotomultiplicr 11 eine Frequenzmischung der Dopplerfrequenz, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt, mit der Frequenz des Modulationsgenerators 14. Dadurch entsteht ein neues, bisher nicht bekanntes Verfahren zur Frequenzshift von Dopplersignalen, das mit Gaslasern nicht realisiert wurde.A modulation generator 14 enables in connection with a network 1 4a a frequency and intensity modulation of the laser light in the low and high frequency range by modulating the current around an operating point specified by the current regulator 13 will. This intensity modulation of the laser light is effected in the photomultiplicr 11 a frequency mixture of the Doppler frequency, which is a measure of the flow velocity represents with the frequency of the modulation generator 14. This a new, previously unknown method for frequency shifting Doppler signals is created, that was not achieved with gas lasers.

Als Photodetektoren können kommerziell erhältliche Photomultiplier 11 eingesetzt werden, die eine für die Wellenlänge der Laserdiode geeignete spektrale Empfindlichkeit haben.Commercially available photomultipliers can be used as photodetectors 11 are used, which is a suitable spectral for the wavelength of the laser diode Have sensitivity.

An Hand der Figur 2 soll die Begründung der besonderen S.usgestaltung (Eigenschaft D) eines Laser-Doppler-Anemometers nach Anspruch 2 und 3 zur Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente erfolgen, wobei hierunter die Geschwindigkeitskomponente parallel zur optischen Achse des Anemometers verstanden wird.The reason for the special design should be based on Figure 2 (Property D) of a laser Doppler anemometer according to claims 2 and 3 for measurement a third speed component, including the speed component is understood to be parallel to the optical axis of the anemometer.

Der Laserstrahl 16 der Laserdiode 1 wird bei Bedarf durch ein anamorphisches Prismenpaar gelenkt, mittels der Linse 8 in den Brennpunkt (Meßvolumen) 15 fokussiert, von einer Empfangslinse 9 auf zwei 900 Prismen 21 gelenkt und als Strahl 22 durch das Meßvolumen zurückgeworfen und schließlich mit einer Strahlfalle 19 abgeblockt. Diese Anordnung ermöglicht in an sich bekannter Weise die Messung der Geschwindigkeitskomponente u3 in Richtung der optischen Achse. Da bei Versuchsaufbauten dieser Art die Weglängendifferenzen der Teilstrahlen 16 und 22 mehrere Meter betragen können, bereitete die Realisierung dieses Aufbaues große Probleme, da die bekannten Gaslaser in der Regel nur kleine Kohärenzlängen aufweisen, weil sie zur Erzielung großer Lichtleistungen im Multimodenbetrieb betrieben werden. Mit einer Laserdiode, die auf nur einer longitudinalen Mode abstrahlt, stellen Weglängendifferenzen der Teilstrahlen 16 und 22 von mehreren Metern (qrößer 8 m) keine Probleme bei der Realisierung dieses Versuchsaufbaues dar. Bauartbedingt sind Laserdioden mit nur einer longitudinalen Mode auch mit hoher Lichtleistung (ca.The laser beam 16 of the laser diode 1 is if necessary by an anamorphic Pair of prisms steered, focused into the focal point (measuring volume) 15 by means of the lens 8, deflected by a receiving lens 9 onto two 900 prisms 21 and through as a beam 22 the measuring volume is thrown back and finally blocked with a beam trap 19. This arrangement enables the speed component to be measured in a manner known per se u3 in the direction of the optical axis. Since in experimental setups of this type, the path length differences the partial beams 16 and 22 can be several meters, prepared the realization this construction presents major problems, since the known gas lasers are usually only small Have coherence lengths because they are used to achieve high light outputs in multimode operation operate. With a laser diode that emits in only one longitudinal mode, represent path length differences of the partial beams 16 and 22 of several meters (larger 8 m) posed no problems in the implementation of this experimental set-up are laser diodes with only one longitudinal mode and also with high light output (approx.

20 mW und mehr) erhältlich.20 mW and more).

An Hand der Figur 3 soll die Begründung der besonderen Ausgestaltung eines Mehrkomponenten-Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis entsprechend Anspruch 2 und 3 gegeben werden und eine spezielle vorteilhafte Gestaltung der Erfindung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erläutert werden.On the basis of Figure 3, the reason for the special embodiment of a multi-component laser Doppler anemometer based on laser diodes Claim 2 and 3 are given and a special advantageous embodiment of the invention according to the characterizing part of claim 1 are explained.

Die Laserstrahlen 16a und 16c der Laserdioden 1c und 1b werden mittels der Strahlteiler 7b und 7a in parallele und paarweise orthogonal stehende Teilstrahlen gleicher Intensität aufgespalten, die durch die Linse 8 in den Brennpunkt (Meßvolumen) 15 fokussiert und nach Durchlaufen des Meßvolumens durch Strahlfallen 19 abgeblockt werden. So können zueinander orthogonale Geschwindigkeitskomponenten ul und u2 gemessen werden, welche ihrerseits senkrecht zur optischen Achse des Anemometers stehen.The laser beams 16a and 16c of the laser diodes 1c and 1b are by means of the beam splitter 7b and 7a in parallel and in pairs orthogonal standing partial beams of equal intensity split through the lens 8 in the focal point (measuring volume) 15 focused and after passing through the measuring volume Beam traps 19 are blocked. In this way, orthogonal velocity components can be created ul and u2 are measured, which in turn are perpendicular to the optical axis of the anemometer stand.

Der Laserstrahl 16b der Laserdiode 1a wird durch die Linse 8 in das Meßvolumen fokussiert, nach Durchlaufen der Linse 9 durch 2 Stück a00 Prismen 21 von der Linse 9 durch das Meßvolumen 15 zurückgeworfen und danach durch die Linse 8 auf die Strahlfalle 19 gelenkt. Dieses spezielle Strahlsystem ermöglicht die Messung der Geschwindigkeitskomponente u3 wie auch an Hand der Figur 2 separat erläutert wurde.The laser beam 16b of the laser diode 1a is through the lens 8 in the Measurement volume focused, after passing through lens 9 through 2 pieces a00 prisms 21 thrown back from the lens 9 through the measuring volume 15 and thereafter through the lens 8 steered onto the beam trap 19. This special beam system enables the measurement the speed component u3 as also explained separately with reference to FIG became.

Der Empfang des vom Meßvolumen 15 ausgehenden Streulichtes ist möglich auf folgende Weise: a) in Richtung der optischen Achse durch die Linsen 9 und den Photodetektor 11a für die Wellenlänge Al der Laserdiode 1b; b) unter einem beliebigen Winkel gegen die optische Achse durch Fokussierung des Streulichtes mittels der Linsen 9a, Umlenkung durch die Spiegel 23a und 23b, Farbteilung durch Teiler 24 und Abbildung auf die Photodetektoren 11b und 11c, welche die Wellenlängen A 2 und X3 der Laserdioden 1a und 1c registrieren; c) in Rückwärtsrichtung durch Fokussierung des Streulichtes durch Linse 8, Umlenkung durch die Spiegel 2=a und 25b und Abbildung mittels der Linse 9b über den Farb- oder Intensitätsteiler 24a auf die Photodetektoren 11d und 11e. Diese Photodetektoren können ebenfalls die Wellenlängen 1 und 3 der Laserdioden 1a und 1c registrieren.It is possible to receive the scattered light emanating from the measuring volume 15 in the following way: a) in the direction of the optical axis through the lenses 9 and the Photodetector 11a for the wavelength Al of laser diode 1b; b) under any Angle against the optical axis by focusing the scattered light by means of the Lenses 9a, deflection by mirrors 23a and 23b, color division by splitter 24 and imaging on the photodetectors 11b and 11c, which the wavelengths A 2 and Register X3 of laser diodes 1a and 1c; c) in the reverse direction by focusing of the scattered light through lens 8, deflection through the mirror 2 = a and 25b and image by means of the lens 9b via the color or intensity splitter 24a onto the photodetectors 11d and 11e. These photodetectors can also use wavelengths 1 and 3 of the Register laser diodes 1a and 1c.

Das im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführte Merkmal b ermöglicht durch die erwähnte Wellenlängenabstimnlung eine Trennung der Wellenlängen A 2 und A3 auch beim Einsatz von 3 identischen Laserdioden in Verbindung mit Interferenzfiltern in den Photodetektoren.The feature b listed in the characterizing part of claim 1 enables a separation of the wavelengths A 2 and A3 also when using 3 identical laser diodes in connection with interference filters in the photodetectors.

In Figur 3 sind die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale b, c, d und e der gattungsgemäßen Art der übersichtlichkeit halber nicht explizit aufgeführt, werden aber entsprechend Anspruch 2 geltend gemacht.In Figure 3, the features listed in claim 1 are b, c, d and e not explicitly listed for the sake of clarity for the sake of clarity, but are asserted according to claim 2.

Es ist auch noch eine weitere Ausgestaltung eines Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis nach Merkmal a des Anspruchs 2 möglich, bei dem eine dritte Geschwindigkeitskomponente u3 gemessen wird, die nicht senkrecht auf den Geschwindigkeitskomponenten ul und u2 steht. Diese spezielle Ausgestaltung soll an Hand von Figur 4 kurz erläutert werden.It is yet another embodiment of a laser Doppler anemometer possible based on laser diodes according to feature a of claim 2, in which a third Velocity component u3 is measured which is not perpendicular to the velocity components ul and u2 stands. This special embodiment is to be explained briefly with reference to FIG will.

Durch die Anordnung der Laserdioden 1a, 1b, der Strahlteiler 7b und 7a, der Linsen 8 und 9, des Farbteilers bzw. Intensitätsteilers 24c sowie der Photodetektoren 11a und 11b werden die Geschwindigkeitskomponenten ul und u2 gemessen. Insofern ist diese Anordnung mit der in Figur 3 beschriebenen identisch.The arrangement of the laser diodes 1a, 1b, the beam splitter 7b and 7a, the lenses 8 and 9, the color splitter or intensity splitter 24c and the photodetectors 11a and 11b, the velocity components ul and u2 are measured. To that extent this arrangement is identical to that described in FIG.

Eine weitere Geschwindigkeitskomponente u3 , die nicht orthogonal zu u1 und u2 steht, wird durch ein Laserdiodenanemometer entsprechend Figur 1, das unter einem Winkel y gegen die optische Achse ausgerichtet ist, gemessen. Dies Laserdiodenanemometer besteht aus Laserdiode 1c, Strahlteiler 7c, den Linsen 8a, 9a und Photodetektor 11c.Another velocity component u3 that is not orthogonal to u1 and u2 is, by a laser diode anemometer according to Figure 1, the is aligned at an angle y to the optical axis, measured. This laser diode anemometer consists of laser diode 1c, beam splitter 7c, lenses 8a, 9a and photodetector 11c.

Auch in Figur 4 sind die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale b, c, d und e der gattungsgemäßen Art des Anspruchs 1 der Ubersichtlichkeit halber nicht explizit aufgeführt, werden aber entsprechend Anspruch 2 geltend gemacht.Also in Figure 4 are the features b, c, d and e of the generic type of claim 1 for the sake of clarity not explicitly listed, but are asserted according to claim 2.

Das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 3 wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gaslaser in Verbindung mit Laserdioden zu einem Mehrkomponenten-Laser-Doppler-Anemometer entsprechend der Ansprüche 1 und 2 eingesetzt wird, wobei zur Farbstreuung von Laserdiodenlicht und Gaslaserlicht "heat reflecting mirrors" eingesetzt werden. An Hand von Figur 3 soll dies näher erläutert werden. Die Laserdiode 1c wird durch einen Gaslaser (z.B.Helium-Neon-Laser) ersetzt und der Farbteiler (Intensitätsteiler) 24 bzw. 24a durch einen "heat reflecting mirror". Dann'wird mit dem Photodetektor 11b bzw. 11e das Streulicht der Frequenz des Helium-Neon-Lasers gemessen. Es ist demzufolge der Ausbau bereits existierender Anemometer auf Gaslaserbasis durch den Einsatz von Laserdioden erfindungsgemäß leicht realisierbar.The characterizing feature of claim 3 is characterized according to the invention solved that a gas laser in connection with laser diodes to a multi-component laser Doppler anemometer is used according to claims 1 and 2, wherein for color scattering of laser diode light and gas laser light "heat reflecting mirrors" can be used. On the basis of the figure 3 this should be explained in more detail. The laser diode 1c is made by a gas laser (e.g. helium-neon laser) and the color splitter (intensity splitter) 24 or 24a through a "heat reflecting mirror". Then 'is done with the photodetector 11b or 11e the scattered light measured at the frequency of the helium-neon laser. It is therefore the Expansion of existing anemometers based on gas lasers through the use of Laser diodes can easily be implemented according to the invention.

Ein Laser-Doppler-Anemometer der beschriebenen Bauarten wurde in einem hochturbulenten Luft-Freistrahl im Oeschwindigkeitsbereich bis ca. 100 m/s bei einer Laserleistung von nur 3 mW und einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich (790 nm) erfolgreich erprobt und zur Anwendungsreife entwickelt.A laser Doppler anemometer of the types described was in a highly turbulent air free jet in the speed range up to approx. 100 m / s with a Laser power of only 3 mW and a wavelength in the visible range (790 nm) successfully tested and developed to readiness for use.

Figur 1: Schematische Darstellung eines Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis Figur 2: Prinzipaufbau eines Laserdioden-Laser-Doppler-Anemometers zur Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente u3 in Richtung der optischen Achse des Anemometers Figur 3: Darstellung eines 3-Komponenten-Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis zur Messung von 3 orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten ul , u2 und u3 Figur 4: Darstellung eines 3-Komponenten-Laser-Doppler-Anemometers auf Laserdiodenbasis zur Messung von 3 nicht orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten Bezugszeichen zu den Figuren 1 bis 4: 1 Laserdiode 1a Laserdiode 1b Laserdiode 1c Laserdiode 2 Montageblock 3 Peltier-Element 4 Kühlkörper 5 Mikroskopobjektiv oder Sammellinse 6 anamorphisches Prismenpaar oder gekreuzte Zylinderlinsen 7 Strahlteiler 7a Strahlteiler 7b Strahlteiler 7c Strahlteiler 8 Linse 8a Linse 9 Linse 9a Linse 9b Linse 10 Blende 11 Photodetektor (Photomultiplier) 11 a Photodetektor (Photomultiplier) 1 ib Photodetektor (Photomültiplier) 1 1c Photodetektor (Photomultiplier) lid Photodetektor (Photomultiplier) 11 e Photodetektor (Photomultiplier) 1 2 Temperaturregelung 1 3 Konstantstromregelung 1 4 Modulationsgenerator 14a Netzwerk 15 Meßvolumen, Brennpunkt 16 Laserstrahl 16a Laserstrahl 16b Laserstrahl 16c Laserstrahl 17 Laserstrahl 18 Laserstrahl 19 Strahlenfalle 20 Streulicht 21 900-Prisma ev. auch Umlenkspiegel 22 Laserstrahl rücklaufend 23a Umlenkspiegel 23b Umlenkspiegel 24 Intensitätsteiler oder Farbteiler, heat reflecting mirror 24a Intensitätsteiler, Farbteiler, heat reflecting mirror, dichroitischer Filter 24c Intensitätsteiler, Farbteiler oder heat reflecting mirror dichroitischer Filter 25a Umlenkspiegel 25b Umlenkspiegel - Leerseite -Figure 1: Schematic representation of a laser Doppler anemometer based on laser diodes Figure 2: Basic structure of a laser diode laser Doppler anemometer for measuring a third speed component u3 in the direction of the optical Axis of the anemometer Figure 3: Representation of a 3-component laser Doppler anemometer based on laser diodes for measuring 3 orthogonal velocity components ul, u2 and u3 Figure 4: Representation of a 3-component laser Doppler anemometer based on laser diodes for measuring 3 non-orthogonal velocity components Reference symbols for FIGS. 1 to 4: 1 laser diode 1a laser diode 1b laser diode 1c Laser diode 2 mounting block 3 Peltier element 4 heat sink 5 microscope objective or Converging lens 6 anamorphic pair of prisms or crossed cylinder lenses 7 beam splitter 7a beam splitter 7b beam splitter 7c beam splitter 8 lens 8a lens 9 lens 9a lens 9b lens 10 aperture 11 photodetector (photomultiplier) 11 a photodetector (Photomultiplier) 1 ib photodetector (photomultiplier) 1 1c photodetector (photomultiplier) lid photodetector (photomultiplier) 11 e photodetector (photomultiplier) 1 2 temperature control 1 3 constant current regulation 1 4 modulation generator 14a network 15 measuring volume, focus 16 laser beam 16a laser beam 16b laser beam 16c laser beam 17 laser beam 18 Laser beam 19 Beam trap 20 Scattered light 21 900 prism, possibly also deflection mirror 22 Laser beam returning 23a Deflecting mirror 23b Deflecting mirror 24 Intensity splitter or color splitter, heat reflecting mirror 24a intensity splitter, color splitter, heat reflecting mirror, dichroic filter 24c intensity splitter, color splitter or heat reflecting mirror dichroic filter 25a deflecting mirror 25b deflecting mirror - Blank page -

Claims

Claims: Laser diode laser Doppler anemometer) Laser Doppler anemometer for measuring the velocities of fluids in a gas, liquid or multiphase flow as well as surface velocities of solids according to the well-known cross-beam or reference beam method, characterized in that a) semiconductor-based light sources (Laser diodes 1, 1a, 1b, 1c) are used to build the anemometer; legs Wavelength adjustment of the laser diodes by temperature control, i.e. heating or cooling takes place and a wavelength stabilization by a temperature control circuit 12 is made in connection with a constant current control 13; c) an optical one Frequency modulation and an intensity modulation of the laser diode by means of a modulation generator 14 and a network 14a can be made, whereby a frequency mixing the Doppler frequency takes place with the frequency of the modulation generator; yours Correction of the laser beam stigmatism by anamorphic prism pairs 6 or crossed cylinder lenses can be made; e) a miniature design of laser Doppler anemometers is possible

2. Laser Doppler anemometer according to claim 1, characterized in that that for the measurement of several speed components according to what is known per se basic physical principle up to 3 laser diodes of different, possibly adjustable Wavelength can be used, whereby a) 3 orthogonal or not perpendicular related speed components with at the same time the highest possible The compactness of the transmission optics can be measured; b) a color-separated measurement of the individual speed components u1, u2 and U3 through the use of color dividers 24 (dichroic filters), intensity dividers 24a or heat reflecting mirrors and interference filters for wavelength selection in conjunction with photomultipliers 11 as photodetectors that have sufficient spectral sensitivity in the visible and infrared wavelength range is possible.

3. Laser Doppler anemometers are characterized according to claim 1 and 2, that gas lasers are used simultaneously in conjunction with laser diodes, so that existing laser Doppler anemometer known physical principle to Measurement of several speed components can be expanded in a compact manner can.