DE3936950C2 - Laser-Doppler-Anemometer - Google Patents

Description

Das Hauptpatent 38 23 246 betrifft ein Laser-Doppler-Anemo­ meter, insbesondere zur Messung von Teilchengeschwindigkei­ ten in einem strömenden Medium, mit einer Laserquelle, vor­ zugsweise mit einer Kollimatoroptik, einer Strahlteileroptik zur Erzeugung von wenigstens zwei Laser-Teilstrahlen, mit einer Fokussierungseinrichtung, um die wenigstens zwei La­ ser-Teilstrahlen in einem Meßvolumen zu fokussieren, mit ei­ ner Empfangsanordnung mit Detektor zum Auffangen des im Meß­ volumen reflektierten Laserlichts, wobei die Fokussierungs­ einrichtung aus einer der Anzahl der Laser-Teilstrahlen zu­ mindest gleichen Anzahl von Strahlumlenkelementen besteht, die so angeordnet sind, daß sie die unmittelbar aus der Strahlteileroptik austretenden Laser-Teilstrahlen so umlen­ ken, daß sich die Teilstrahlen im Meßvolumen schneiden.

Aus der US-Zeitschrift: "The Physics of Fluids", Band 10, Nr. 6, Juni 1967, Seite 1349 bis 1352, ist ein Laser-Doppler-Anemometer bekannt, das die Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zeigt. Ein Gaslaser erzeugt einen Laserstrahl, der mit einem Strahlteiler in einen transmittierten Strahlanteil und einen reflektierten Strahlteil dividiert wird. Diese Teilstrahlen werden mittels einer Spiegelanordnung derart reflektiert, daß sie mit einem geringen Neigungswinkel relativ zu dem einfallenden Laserstrahl ausgerichtet sind, um letztlich in einem Meßvolumen zusammengeführt zu werden. Ein derartiges Laser-Doppler- Anemometer benötigt viel Platz, ist anfällig und äußerst kostenintensiv.

Aus der deutschen Zeitschrift "Technisches Messen", 54. Jahrgang, Heft 7/8, 1987, Seiten 291 bis 302, ist eine Anemometeranordnung bekannt, bei der ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird. Die beiden Teilstrahlen werden gebrochen und in einem Meßvolumen zusammengeführt. Andererseits wird eine zweistrahlige Laserdiode mit einer Reflexionsanordnung ausgestattet, so daß die beiden jeweils ungeteilten Laserstrahlen der zweistrahligen Laserdiode in einem Meßvolumen zur Überlappung gebracht werden können. Der eine in dieser Druckschrift offenbarte Aufbau erfordert ebenfalls viel Platz, während der andere Aufbau vernachlässigt, daß Laserdioden auf ihren gegenüberliegenden Spiegelseiten unterschiedliche Strahlverteilungen und Frequenzverteilungen aufweisen können, die Meßfehler mit sich bringen.

Aus der britischen Zeitschrift "Journal of Physics E: Scientific Instruments", Band 17, 1984, Seiten 131 bis 136, ist ebenfalls eine Anemometeranordnung bekannt, die relativ viel Platz erfordert. Hier wird eine Braggzelle als Strahlteiler verwendet, wobei eine umfangreiche Anordnung von Umlenkspiegeln verwendet werden muß, um eine Zusammenführung der Meßstrahlen in einem Meßvolumen bewerkstelligen zu können.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässig funktionierende und sehr platzsparende Laser-Doppler-Anemometer-Anordnung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch ein Laser-Doppel-Anemometer mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen gemäß der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Vorteile, die gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen sind, beruhen darauf, daß die Strahlumlenkelemente so angeordnet sind, daß der Strahlengang der Laserstrahlen zurückgefaltet wird und einer der Teilstrahlen den in die Strahlteileroptik eintretenden Laserstrahl schneidet.

Erfindungsgemäß wird also der Strahlengang der Laserteilstrahlen derart zurückgefaltet, daß sowohl die Laser-Teil­ strahlen als auch der in die Strahlteileroptik eintretende Laserstrahl in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dies ermöglicht eine besonders flache Bauweise der gesamten An­ ordnung.

Die Strahlumlenkelemente sind dabei so angeordnet, daß der Strahlengang der Laserteilstrahlen zurückgefaltet wird, wo­ bei einer der Teilstrahlen den in die Strahlteileroptik ein­ tretenden Laserstrahl schneidet. Mit anderen Worten wird der Strahlengang der Laserteilstrahlen so zurückgefaltet, daß die Laserteilstrahlen in einem spitzen Winkel zu dem in die Strahlteileroptik eintretenden Laserstrahl verlau­ fen. Durch diese besondere Ausbildung des Laser-Doppler- Anemometers wird eine insgesamt kompakt aufbaubare Meßan­ ordnung ermöglicht, die sehr kleine Abmessungen haben kann und die auch besonders preisgünstig hergestellt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be­ steht darin, daß die Strahlteileroptik aus einer Strahltei­ lerplatte besteht. Diese Strahlteilerplatte kann zweckmäßigerweise aus einem halbdurchlässigen Spiegel gebildet sein. Auch durch die Verwendung einer Strahlteilerplatte in Form eines halbdurchlässigen Spiegels wird ein sehr kleiner Systemaufbau begünstigt. Darüber hinaus ist eine Strahltei­ lerplatte beispielsweise in Form eines halbdurchlässigen Spiegels erheblich billiger als ein Strahlteilerwürfel, wie er beispielsweise beim Gegenstand des Hauptpatents Verwen­ dung findet.

Die Strahlumlenkelemente bestehen zweckmäßigerweise aus Spiegelelementen, die ebenfalls sehr klein ausgeführt wer­ den können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht schließ­ lich darin, daß die Spiegelelemente, der Strahlteiler und die Kollimatoroptik zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der wesentlichen Bestandteile des Laser-Doppler-Anemo­ meters mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Laser-Doppler-Anemo­ meters nach der Erfindung, bei der zwei Laserquel­ len verwendet werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist allgemein mit 1 bezeichnet und sie enthält nur diejenigen Bestandteile, die für die vorliegende Erfindung maßgebend sind. So ist beispielsweise der Übersichtlichkeit halber die Laserlicht­ quelle selbst nicht dargestellt.

Die gezeigte Anordnung enthält eine Kollimatoroptik 7, über die ein von einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle kommen­ der Laserstrahl fokussiert wird, wobei der fokussierte Laserlichtstrahl, der die Kollimatoroptik 7 verläßt, mit 6 bezeichnet ist. Die Anordnung enthält ferner einen Laser­ strahlteiler 2 in Form einer Strahlteilerplatte, die beispiels­ weise als halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet sein kann. Der Laserstrahl 6 wird auf die Strahlteilerplatte 2 in der gezeigten Weise gelenkt und wird durch die Strahlteilerplatte 2 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel zu zwei Strahlumlenkelementen 3a und 3b ver­ laufen. Diese Strahlumlenkelemente können beispielsweise aus sehr kleinen Spiegelelementen bestehen. Die Strahlumlenkele­ mente 3a und 3b sind so angeordnet, daß die Laserteilstrah­ len zurückgefaltet werden, und zwar in einer Ebene, die durch die Laser-Teilstrahlen selbst definiert ist. Die durch die Laser-Teilstrahlen definierte Ebene enthält auch den in die Strahlteilerplatte 2 eintretenden Laserstrahl 6, so daß also der zurückgefaltete Laserteilstrahl 4a den Laserstrahl 6 schneidet, der in die Strahlteilerplatte 2 eintritt. Ferner sind die Strahlumlenkelemente 3a und 3b so geneigt angeord­ net, daß die zwei Laser-Teilstrahlen 4a und 4b aufeinander zu verlaufen und sich in einem Bereich schneiden, der inner­ halb eines Meßvolumens liegt.

Die gezeigte Anordnung bietet einige einschneidende Vorteile:
Da die Laser-Teilstrahlen 4a und 4b in einer Ebene zurückge­ faltet werden, die durch die Teilstrahlen, welche die Strahl­ teilerplatte 2 unmittelbar verlassen, definiert ist, kann die gesamte Meßanordnung sehr kompakt, insbesondere sehr flach ausgeführt werden.

Die Verwendung einer Strahlteilerplatte 2 anstelle eines Strahlteilerwürfels bietet ebenfalls die Möglichkeit, die Meßanordnung in sehr gedrängter Bauweise auszuführen, da beispielsweise die Strahlteileroptik in Form der Strahltei­ lerplatte 2 sehr dicht an den Ausgang der Kollimatoroptik 7 angeordnet werden kann und sich dadurch eine sehr gedrängte Bauweise der gesamten Anordnung erreichen läßt.

Daher läßt sich auch die Anordnung aus Spiegelelementen 3a, 3b, Strahlteilerplatte 2 und Kollimatoroptik 7 sehr vorteil­ haft zu einer Baueinheit zusammenfassen, die als solche in das Meßsystem eingesetzt werden kann.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung läßt sich auch besonders vorteilhaft bei Laserstrahlen einsetzen, die einen ellipti­ schen Querschnitt aufweisen. Bei der Anordnung nach dem Hauptpatent ergibt sich in Verbindung mit einem Laserstrahl mit elliptischem Querschnitt das Problem, daß Strahlen mit elliptischem Querschnitt derart überlagert werden, daß die Ellipsenflächen senkrecht zueinander liegen.

Dieses Problem kann mit Hilfe der Anordnung nach der vor­ liegenden Erfindung beseitigt werden.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Laser-Doppler- Anemometers nach der vorliegenden Erfindung, bei der sämtliche Einrichtungen wie Kollimatoroptik 7′ Spiegelelemente 3a, 3b, Strahlteilerplatte 2, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorhanden sind, ebenfalls mit verwendet werden. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß eine zweite Laserquelle (nicht gezeigt) vorhanden ist, die einen zweiten unabhängigen Laserstrahl 8 erzeugt, der durch eine Kollimatoroptik 9 hindurchgeleitet wird und anschließend auf die Strahlteileroptik in Form der Strahlteilerplatte 2 auf­ trifft. Durch eine punktgenaue Überlagerung der beiden Strahlen 6 und 8 an der strahlteilenden Schicht der Strahl­ teilerplatte 2 und einer winkelgenauen Ausrichtung des Kollimators 9 ist es möglich, die Teilstrahlen 4a, 4b beider Laserquellen exakt zu überlagern. Dadurch steht dann im Meßvolumen, dem Schnittpunkt der Teilstrahlen 4a und 4b, die Summe beider Laserleistungen zur Verfügung. Da die Strahlen beider Systeme exakt den gleichen Winkel haben, überlagern sich die entstehenden Interferenzstreifensysteme beider Systeme phasenrichtig, und zwar unter der Voraus­ setzung, daß die Wellenlängen der Strahlen beider Systeme gleich oder fast gleich sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann somit eine erhöhte Laserleistung realisiert werden, ohne daß dabei zusätzliche optische Elemente ver­ wendet werden müssen.

Eine gleiche oder fast gleiche Wellenlänge (nur einige 10 MHz Unterschied) ist in der Praxis schwierig zu realisieren. Interessant ist jedoch der Fall der fast gleichen Wellenlänge. Dabei kann ein wanderndes Interfe­ renzstreifensystem im Meßvolumen realisiert werden. Der hierbei gewünschte bzw. beabsichtigte geringe Wellen­ längenunterschied kann beispielsweise mit Hilfe von Braggzellen hergestellt werden. Die Wanderungsgeschwin­ digkeit ist im Empfangssignal als Frequenz-Versatz vor­ handen. Dadurch ist auch eine Richtungsbestimmung einer zu untersuchenden Strömung möglich.

Es können ferner frequenzgeregelte Laserdioden als Laser­ quellen verwendet werden.

Beim Einsatz nicht frequenzgeregelter Laserdioden müssen die Wellenlängen mindestens einige 100 MHz auseinander liegen, da sonst die unkontrolliert auftretenden Misch­ frequenzen stören (Signalfrequenzen im 10 MHz-Bereich).

Die Ausführungsform nach Fig. 2 kann jedoch auch noch in anderer Weise eingesetzt werden:
Bei einer nicht punkt- oder winkelgenauen Überlagerung wird für das zweite Strahlsystem ein eigenes Meßvolumen erzeugt. Bei Anordnungen für Korrelationsmessungen mit mehreren Meßpunkten können somit weitere Strahlsysteme mit eigener Laserquelle und eigenem Kollimator über die gleiche Strahl­ teiler-Spiegeleinheit zur Wirkung gebracht werden, wobei sich in jedem Fall auch wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine gedrängte Kompaktbauweise realisieren läßt.

Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die in den Figuren gezeigten Anordnungen in sehr vielfältiger Weise abgeändert und verändert werden können, ohne daß dadurch jedoch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, mehrere Strahlteilerplatten 2 in den Strahlengang des Laserstrahls 6 und/oder in den Strahlengang des Laserstrahls 8 einzusetzen, um mehr als zwei Laserteilstrahlen zu erzeugen. Eine derart erweiterte Anordnung enthält dann natürlich auch eine entsprechend höhere Anzahl von Strahlumlenkelementen. Bei dieser Aus­ führungsform besteht ferner dann die Möglichkeit, entweder alle so erhaltenen Laserteilstrahlen in einem gemeinsamen Punkt innerhalb eines Meßvolumens zu fokussieren oder verschiedene Teilstrahlen zusammenzufassen und unabhängige Schnittpunkte innerhalb des Meßvolumens zu erzeugen.

Claims (12)

1. Laser-Doppler-Anemometer, insbesondere zur Messung von Teilchenge­ schwindigkeiten in einem strömenden Medium, mit einer Laserquelle, vorzugsweise mit einer Kollimatoroptik, einer Strahlteileroptik zur Erzeugung von wenigstens zwei Laser-Teilstrahlen, mit einer Fokussierungseinrichtung, um die wenigstens zwei Laser-Teilstrahlen in einem Meßvolumen zu fokussieren, mit einer Empfangs­ anordnung mit Detektor zum Auffangen des im Meßvolumen reflektierten Laser­ lichts, wobei die Fokussierungseinrichtung aus einer der Anzahl der Laser-Teil­ strahlen zumindest gleichen Anzahl von Strahlumlenkelementen besteht, die so angeordnet sind, daß sie die unmittelbar aus der Strahlteileroptik austretenden Laser- Teilstrahlen so umlenken, daß sich die Teilstrahlen im Meßvolumen schneiden, nach Patent 38 23 246, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlerikelemente (3a, 3b) so angeordnet sind, daß der Strahlengang der Laserteilstrahlen (4a, 4b) so zurückge­ faltet wird, daß einer der Teilstrahlen (4a) den in die Strahlteileroptik (2) ein­ tretenden Laserstrahl (6) schneidet.

2. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Laser-Teilstrahlen (4a, 4b) so zurückgefaltet wird, daß die Laser-Teilstrahlen (4a, 4b) in einem spitzen Winkel zu dem in die Strahlteileroptik (2) eintretenden Laserstrahl (6) verlaufen.

3. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteileroptik (2) aus einer Strahlteilerplatte besteht.

4. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilerplatte ein halbdurchlässiger Spiegel ist.

5. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlenkelemente (3a, 3b) aus Spiegelelementen bestehen.

6. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Teilstrahlen (4a, 4b) vom Laserstrahl einer weiteren Laserquelle abgeleitet ist.

7. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Teilstrahlen (4a, 4b) die gleichliegenden Teilstrahlen (4a, 4b) der weiteren Laserquelle überlagert werden.

8. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekenn­ zeichnet durch wenigstens eine weitere Kollimatoroptik (9) für den Laserstrahl der weiteren Laserquelle.

9. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen aller Laserquellen wenigstens fast die gleiche Wellenlänge haben.

10. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen aller Laserquellen punktgenau und winkelge­ nau an der strahlteilenden Schicht einer gemeinsamen Strahlteileroptik (2) überlagert sind.

11. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen von wenigstens zwei Laserquellen an einer gemeinsamen Strahlteileroptik (2) nicht punkt- und winkelgenau überlagert werden.

12. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquellen frequenzgeregelte Halbleiter-Laserdioden aufweisen.