DE3923502C2

DE3923502C2 -

Info

Publication number: DE3923502C2
Application number: DE19893923502
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. 8000 Muenchen De Maier
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-07-15
Filing date: 1989-07-15
Publication date: 1992-04-02
Also published as: DE3923502A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Doppler-Anemometer gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Laser-Doppler-Anemometer ist aus der DE 28 41 499 C2 bekannt.

Durch die DE 28 41 499 ist ein Laser-Luftwerte-Sensor zur Messung dreidimensionaler Luftströmungen bekanntgeworden, bei dem einem Laser eine elektrooptische Modulatoreinrichtung und eine Demodulationseinrichtung für ein Laser-Doppler-Anemometer zugeordnet ist, der zur räumlichen und spektralen Filterung störender Frequenzen des Rückstreulichtes mit einem Filter vor dem Eingang einer Detektor- und Demodulatoreinheit versehen ist.

Durch die DE-OS 36 13 738 ist eine Signalübertragungsvorrichtung mit einem integriert elektrooptischen Lichtmodulator bekanntgeworden, mit der der transversale elektrooptische Effekt (Pockeleffekt) in einem LiNbO₃-Kristall ausgenützt wird. Dieser Kristall wird in einem Thermo staten temperaturstabilisiert eingebaut. Hiermit wird über die tempera turinduzierte Änderung der optischen Hohlraum-Länge der Arbeitspunkt bzw. der Modulationsgrad der Vorrichtung stabilisiert. Eine Fotorefraktivitäts- Vermeidung und eine Einsetzbarkeit der Modulationseinrichtung für hohe optische Intensitäten ist nicht erkannt worden.

Aus der DE 30 42 622 C2 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes von Strömungen bekannt, wofür ein Festkörperlaser verwendet wird.

Aus der DE-AS 21 06 365 ist ein Modulator zur elektrisch gesteuerten Beeinflussung der Phase eines Lichtstrahls bekannt, der zur Amplitudenmodulation zwei gekreuzte oder parallele Polarisatoren aufweist, zwischen denen ein elektrooptischer Kristall angeordnet ist. Diese Einrichtung erfordert jedoch eine hohe Treiberleistung und ist in der Modulationsfrequenz und in der optischen Leistung nicht ausreichend hoch.

Aus der Druckschrift "Series: current topics in materials science", Vol. 1 e. kaldis, ed., Amsterdam 1978, S. 588-589 ist bekannt, den elektrooptischen Effekt eines LiNbO₃-Kristalls zur Schaltung eines YAG : Nd-Lasers zu verwenden, wobei der Kristall in z-Richtung orientiert ist.

Der Artikel "Applied Optics, Vol. 10, No. 5, May 1971, S. 1022-1023" betrifft einen LiTaO₃-Kristall in einem Mikrowellengenerator, der als optischer Modulator dient. Der Artikel "Pribory i Teckhnika Eksperiumenta, No. 5, S. 161-164, Sept./Okt. 1970, in englischer Übersetzung 1971, S. 1430-1433", betrifft eine Kombination aus Fotomultiplier und Resonator.

Ausgehend von dem Laser-Doppler-Anemometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Laser-Doppler-Anemometer derart weiterzubilden, daß die Nachteile des aus der DE 28 41 499 C2 bekannten Standes der Technik beseitigt werden, die Fotorefraktivität des LiNbO₃-Kristalls vermieden und die Modulationseinrichtung für hohe optische Intensitäten einsetzbar wird.

Diese Aufgabe wird durch das Laser-Doppler-Anemometer gemäß dem Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild über das Funktionsprinzip eines Laser-Dopp ler-Anemometer-Systems in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel einer elektro optischen Modulationseinrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 3a ein Schemabild bezüglich einer Ausführungsform der Orientierung des Kristalls,

Fig. 3b ein Schemabild bezüglich einer weiteren Ausführungsform der Orientierung des Kristalls,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Photomultiplier (SEV) mit einem Steuergitter und Demodulationsanordnung in schematischer Dar stellung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Photomultiplier (SEV) mit zwei Steuergittern und Demodulationsanordnung in schematischer Dar stellung,

Fig. 6 ein Diagramm bezüglich der Gitterspannungscharakteristik,

Fig. 7 ein Diagramm bezüglich des Demodulationsgrades in Abhängigkeit von der Gitterspannung d = 0,2 mm.

In Fig. 1 ist der Aufbau und die Funktionsweise eines Ausführungsbei spiels für ein Laser-Doppler-Anemometer skizziert. In diesem System wird die sichtbare Laserstrahlung eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-La sers 10 in einem elektrooptischen Modulator 11 bei ca. 2 GHz amplituden moduliert. Diese Amplitudenmodulation geschieht in dem in Resonanz be triebenen Modulator 11, bei dem der transversale elektrooptische Effekt (Pockeleffekt) eines LiNbO₃-Kristalls 31 ausgenutzt wird. Der Modula tor 11 ist hierbei zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 12, 12′ ange ordnet. Das amplitudenmodulierte Laserlicht wird mittels des Sendeteils einer Sende- und Empfangsoptik 13 im Beobachtungsvolumen fokussiert und von Aerosolen teilweise gestreut.

Zur Einstellung des Beobachtungsvolumens dient eine variable Aufweit optik 13′.

Das rückgestreute und dopplerverschobene Licht wird vom Empfangsteil der Sende- und Empfangsoptik 13 aufgesammelt und mittels eines Filters 14 von störenden spektralen und räumlichen Frequenzen befreit. Dieses ge filterte Rückstreulicht gelangt dann in die Detektor- 15 und Demodula tionseinheit 16. Die Demodulation erfolgt mit einer Empfangsanordnung, die aus einem Photomultiplier 40 mit einem oder mehreren Steuergittern 42 in einem Koaxialresonator besteht. Dabei wird der Photoelektronen strom des rückgestreuten Laserlichts mit der Modulationsfrequenz über lagert, wie nachstehend noch beschrieben wird. Bei dieser Überlagerung der Frequenzen entsteht die Differenzfrequenz, welche die gewünschte Dopplerinformation enthält.

Der hier verwendete, in Resonanz betriebene, elektrooptische Modulator für hohe Laserleistungen zeichnet sich gegenüber den bisher bekannten elektrooptischen Modulatoren (für Phase und Amplitude) mit hohen Band breiten dadurch aus, daß er als resonanter Modulator eine hohe Modula tionsfrequenz aufweist, eine geringe Treiberleistung erfordert und eine hohe optische Leistung zuläßt. Hierzu benutzt dieser optische GHz-Modu lator einen an sich bekannten elektrooptischen LiNbO₃-Kristall 31 in einem Mikrowellenresonator (Fig. 2). Da die statische Doppelbrechung von LiNbO₃ temperaturabhängig ist, muß der Kristall temperaturstabilisiert werden. Außerdem besitzt dieser Kristall eine für die Modulatoranwendun gen besonders unangenehme Eigenschaft: es treten nämlich bei einer Be strahlung im sichtbaren Spektralbereich und bei mittleren Laserleistun gen Änderungen des Brechungsindex auf, die allgemein als "optical damage" bezeichnet werden. Dieser photorefraktive Effekt wird von op tisch erzeugten Raumladungsfeldern verursacht, die den Brechungsindex über den linearen elektrooptischen Effekt modulieren. Obwohl es fast unmöglich ist, diesen Effekt vollständig zu vermeiden, wird hier eine einfache Möglichkeit aufgezeigt, diesen Effekt weitgehend zu reduzieren. Hierzu wird der Kristall auf ca. 140°C aufgeheizt, auf dieser Tempera tur konstant gehalten und bei dieser Temperatur betrieben. Die damit verbundene Erhöhung der Photoleitfähigkeit - also der Beweglichkeit der Ladungsträger - vermeidet die Erzeugung lokaler elektrischer Felder und damit lokaler und anisotroper Änderungen des Brechungsindex. Zu erwähnen ist noch, daß die Befestigung des Kristalls äußerst sorgfältig erfolgen muß, denn mechanische und thermische Spannungen führen zu Strahlablen kungen. Der Kristallofen, der sich im Resonator befindet, enthält Isola tionsteile aus Keramik und Glas und wird, da er den Resonator zusätzlich belastet, sehr sorgfältig ausgelegt. Wie bereits erwähnt, zeigt die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines solchen Modulators, so daß sich weitere Einzelheiten erübrigen.

Zur Resonatorauslegung ist zu bemerken, daß unter den möglichen Geome trien hier die Form eines kapazitiv belasteten koaxialen Topfkreisreso nators vorgeschlagen wird. Der Kristall wird im Bereich maximaler Feld stärke zwischen dem Ende des Innenleiters und der Abschlußfläche des Außenleiters angeordnet. Hierbei sind zwei Orientierungsmöglichkeiten gegeben, einmal wird das Feld parallel zur X₃-Achse (Fig. 3a) ange legt, während sich das Licht parallel zur X₁-Achse ausbreitet und zum andermal wird das Feld parallel zu X₁ angelegt während der Kristall parallel zu X₃ durchstrahlt wird (Fig. 3b). Beide Vorschläge haben ihre Vor- und Nachteile.

Im ersten Orientierungsfall sind die Vorteile einer geringen Halbwellen spannung und einer günstigen Leistungsbilanz gegeben und im zweiten Orientierungsfall ist der Vorteil gegeben, daß keine Doppelbrechung in Durchstrahlungsrichtung vorliegt und daher die nachstehend genannten nachteiligen Effekte nicht auftreten, die bei dem ersten Orientierungs vorschlag gegeben sind. Hier liegt nämlich eine Doppelbrechung vor, so daß der austretende Strahl im allgemeinen elliptisch polarisiert ist. Die Phasendifferenz muß dann mit einem Kompensator oder über die Tempe raturabhängigkeit der Brechungsindizes ausgeglichen werden.

Der Nachteil des zweiten Orientierungsvorschlages liegt darin, daß höhe re Halbwellenspannungen benötigt werden und wegen der höheren Dielektri zitätskonstante in X₁-Richtung ist der Leistungsbedarf zum Treiben des Modulators höher.

Eine Berechnung der Kapazität des Kristalls und der Gesamtanordnung aus Resonator und Kristall zur Dimensionsauslegung ergab für LiNbO₃ als Kristallmaterial eine Gesamtkapazität, die im wesentlichen vom Kristall bestimmt wird und je nach Kristallorientierung einige pF beträgt. Wegen dieser relativ großen Kapazität wird die effektive Resonatorlänge stark verkürzt. Deshalb wird hier vorgeschlagen, für den Modulator einen 3/4λ-Resonator zu verwenden, dessen Länge um den Verkürzungswert - ungefähr λ/4 - reduziert ist. Durch das entsprechend größere Volumen erreicht man eine Verbesserung der Güte und außerdem läßt sich die Ein kopplung dann optimaler gestalten, so daß der Resonator nicht so stark gestört wird.

Nachfolgend wird auf die Demodulationseinrichtung des Laser-Doppler- Anemometers (LDA) eingegangen. Für die direkte Detektion des rückge streuten Laserlichts muß der Photomultiplier (SEV) 40 für das Heterodyn- LDA eine Bandbreite von mehr als 2 GHz haben. Hierfür gibt es aber keine komerziellen SEV′s. Deshalb wird hier für das Heterodyn-LDA eine opti sche Empfangsmethode vorgeschlagen, die in der Hf-Technik als Heterodyn empfänger bezeichnet wird. Hier bildet ein entsprechend konzipierter Photomultiplier in Verbindung mit einem koaxialen Resonator einen Hete rodyn-Detektor für die zu detektierende Signalfrequenz. Diese Empfangs technik erweitert nicht den Frequenzbereich des Photomultipliers, son dern gibt die Möglichkeit in tieferen Frequenzbändern (Zwischenband, Basisband) das Signal der Trägerfrequenz bei hohen Modulationsfrequenzen zu empfangen.

Im Prinzip erfolgt die Überlagerung durch Modulation des Photostromes zwischen zusätzlichen Gittern, die in der Nähe der Photokathode in die Röhre eingebaut sind. Der Gitterbereich ist die kapazitive Last eines Mikrowellenresonators 30, in dem das Modulationsfeld angeregt wird. Zwei Arten von Photomultipliern 40 mit Steuergitter 42 werden vorgeschlagen, und zwar eine mit einem Gitter und die andere mit zwei Gittern, wie nachfolgend noch detailliert ausgeführt wird.

Die Demodulation mit dem SEV geschieht nach dem Prinzip einer Mixer- Triode. Dabei werden die Photoelektronen im Raum bzw. Hf-Feld zwischen zwei eng aneinanderliegenden Gittern moduliert. Unmittelbar an der Photokathode sind die Photoelektronen mit der Frequenz f_m+f_D der ankommenden Strahlung moduliert. In der Nähe der Photokathode ist die sogenannte "Transit-Time"-Verbreiterung noch nicht gravierend. Das Gitterfeld des Resonators moduliert die Photoelektronen zusätzlich mit der Frequenz f_m+(z). Diese Modulation produziert die Differenzfrequenz (f_m+f_D)-f_m+(z) = f_D+(z), welche in der Bandbreite des SEV 40 liegt. Auf diese Weise wird in der Dynodenkette nicht die Modulations frequenz (2 GHz), sondern nur die Differenzfrequenz f_D+(z) (Doppler frequenz, Zwischenfrequenz) verstärkt.

Damit wird aber der Empfang von Signalen auf Modulationsfrequenzen er möglicht, die jenseits der Grenzen des Durchlässigkeitsbandes des SEV liegen. Eine Begrenzung dieses Verfahrens liegt nur in der Wechselwir kungslänge auf der Strecke Kathode/Gitter bzw. Gitter/Gitter (Phasen winkel der Modulation). Weiterhin ist entgegen der üblichen Beschaltung, bei der die Kathode auf negativem Potential und die Anode geerdet wird, hier die Anode auf Hochspannungspotential gelegt. Die Signalauskopplung muß mit einem Kondensator erfolgen, so daß DC-Messungen im allgemeinen nicht möglich sind. Da Störungen auf der Versorgungsspannung über den Abschlußwiderstand direkt in den Signalpfad einkoppeln, muß diese sorg fältig abgeschirmt und möglichst rauschfrei sein.

Die kritischen Auslegungsparameter für den Steuergitter-SEV sind vor allem der Abstand der Gitter von der Kathode und der Abstand der Gitter untereinander. Bei hohen Frequenzen treten Laufzeiterscheinungen auf und elektrische Feldlinien enden nicht auf dem Gitter, sondern haben einen gewissen Durchgriff. Für hohe Frequenzen müssen daher die Abstände sehr klein und die Gitter möglichst engmaschig sein. Der Abstand Kathode zu 1. Dynode liegt für konventionelle Photomultiplier zwischen 10 mm und 20 mm und die Beschleunigungsspannung für diese Strecke zwischen 100 V und 200 V. Der Phasenwinkel R soll für eine effiziente Demodulation nicht groß sein im Vergleich zu 2π. Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen die Gitterabstände in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimetern liegen.

In Fig. 4 ist ein Modulator mit Resonator, SEV mit einem Steuergitter und mit Vorverstärker skizziert. Da bei dieser Ausführungsform die Photokathode ein Bestandteil des Resonators ist, muß ihre Leitfähigkeit besonders hoch sein. Zu diesem Zweck wird die Kathode mit einer leit fähigen Schicht (Gitter) auf dem Glaskörper unterlegt. Für die Demodula toreigenschaften sind die Hochfrequenzeigenschaften und die Kennlinie der Verstärkung in Abhängigkeit von der Gitterspannung wesentlich. Die Gitterspannungscharakteristik wird bestimmt, indem der Anodenstrom bei gleicher Beschleunigungsspannung zwischen Gitter und Anode in Abhängig keit von der Kathodenspannung gemessen wird.

In Fig. 6 ist das Ergebnis für einen Gitterabstand von 0,2 mm und 0,4 mm bei einer Anodenspannung von 1000 V. Der Anodenstrom fällt für Gegen spannungen über 0,5 V nicht weiter ab, sondern bleibt auf einem konstan ten Wert. Dieser Reststrom entsteht vermutlich durch Photoemission auf dem Gitter. Bei beschleunigender Biasspannung nimmt der Strom stetig zu und erreicht bei ca. 30 V den doppelten Wert wie bei U = OV.

Nun ist noch auf die Ausführungsform eines SEV mit zwei Steuergittern einzugehen. Das Schemabild eines solchen SEV ist in Fig. 5 gegeben. Hierbei ist gezeigt, wie der SEV 40 im Resonator angeordnet ist. Über die Ringelektroden werden Federkontaktringe geschoben, die den galvani schen Kontakt herstellen und den SEV teilweise halten. Der Kontaktring für die Photokathode hat einen isolierten Anschluß, so daß eine Bias- Spannung angelegt werden kann. Die Spannung für eine optimale Demodula tion wird experimentell ermittelt.

Fig. 7 zeigt die Demodulationseigenschaften des SEV mit einem Gitter. Die Hf-Leistung beträgt hier 500 mW. Für negative Gitterspannungen unterscheidet sich der Demodulationsgrad bis zu ca. 2 V nur geringfügig von dem für U = OV. Für höhere Spannungen nimmt er wieder ab. Für posi tive Werte von U erreicht man außer einem hohen Demodulationsgrad ein Blockieren der Stromverstärkung während der Pulspausen bei gepulstem Betrieb der Hf-Quelle.

Claims

1. Laser-Doppler-Anemometer mit einem Laser, einer elektrooptischen Modulationseinrichtung und einer Detektor- und Demodulationseinrichtung, deren Empfangsoptik ein Filter zur räumlichen und spektralen Filterung störender Frequenzen des Rückstreulichts vor dem Eingang der Detektor- und Demodulationseinrichtung zugeordnet ist, deren mit der Modulationsfrequenz überlagerte Ausgangssignale einem Signalprozessor zur Ermittlung der Dopplerinformation aus der Differenzfrequenz zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein frequenzverdoppelter Nd:YAG- Laser (10) ist, daß die Modulationseinrichtung aus einem zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren (12, 12′) liegenden resonanzbetriebenen Modulator (11) in Form eines 3/4λ-Resonators, bei dem der transversale elektrooptische Effekt in einem in einen Thermostaten temperaturstabilisiert eingebauten LiNbO₃-Kristall (31) ausgenutzt wird, besteht, dessen Ausgangssignale in den Sendeteil einer nachgeschalteten Sende- und Empfangsoptik (13) mit variabler Aufweitoptik (13′) eingeleitet werden.

2. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der resonanzbetriebene, elektrooptische Modulator (11) die sichtbare Laserstrahlung bei ca. 2 GHz amplitudenmoduliert.

3. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Demodulationseinheit (16) aus einem Photomultiplier (40) mit einem oder mehreren Steuergittern (42) in einem Koaxialresonator als Heterodyn-Detektor ausgebildet ist.

4. Laser-Doppler-Anemometer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen GHz-Modulator (11) und der Demodulationseinheit (16) ein im GHz-Bereich arbeitender Hf-Oszillator (20) zugeordnet ist.

5. Laser-Doppler-Anemometer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der elektrooptische LiNbO₃-Kristall in einem geregelten Kristallofen eines Mikrowellenresonators (30) befindet.

6. Laser-Doppler-Anemometer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenresonator (30) ein kapazitiv belasteter koaxialer Topfkreisresonator ist.

7. Laser-Doppler-Anemometer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der LiNbO₃-Kristall (31) im Bereich maximaler Feldstärke zwischen dem Ende des Innenleiters und der Abschlußfläche des Außenleiters angeordnet ist.

8. Laser-Doppler-Anemometer nach Anpruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der LiNbO₃-Kristall (31) so orientiert ist, daß das Feld parallel zur X₃-Achse anlegbar ist, wobei sich das Licht parallel zur X₁-Achse ausbreitet.

9. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der LiNbO₄-Kristall (31) so orientiert ist, daß das Feld parallel zur X₁-Achse anlegbar ist, wobei sich das Licht parallel zur X₃-Achse ausbreitet.

10. Laser-Doppler-Anemometer nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der LiNbO₃-Kristall bis zu einer konstanten Temperatur von ca. 140° aufgeheizt ist und auf dieser Temperatur konstant gehalten wird.

11. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode des Photomultipliers (40) auf Hochspannungspotential gelegt ist.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Gitter (42) voneinander im Zehntel-Millimeterbereich liegen.