RU2638110C1 - Laser doppler velocimeter - Google Patents

Laser doppler velocimeter Download PDF

Info

Publication number
RU2638110C1
RU2638110C1 RU2016126072A RU2016126072A RU2638110C1 RU 2638110 C1 RU2638110 C1 RU 2638110C1 RU 2016126072 A RU2016126072 A RU 2016126072A RU 2016126072 A RU2016126072 A RU 2016126072A RU 2638110 C1 RU2638110 C1 RU 2638110C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beams
wave
wollaston
field
wollaston prism
Prior art date
Application number
RU2016126072A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Дубнищев
Александр Александрович Шибаев
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority to RU2016126072A priority Critical patent/RU2638110C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2638110C1 publication Critical patent/RU2638110C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: laser doppler velocimeter contains radiation source of two spatially superposed laser beams, the first lens, Bragg acousto-optic modulator of traveling wave, the second lens, first Wollaston prism, optical shaper of probing field, first light-sensitive detector, achromatic half-wave retarder, first and second half-wave dispersion retarders, first and second half-wave retarders, collimator, axicon, second and third Wollaston prisms, confocal lens system, chromatic filter, dichroic mirror, second light-sensitive detector.
EFFECT: increase in the accuracy of measurements is achieved through the use of Bessel beams, which ensure the uniformity of the spatial-frequency structure of probing field and the reduction of measuring volume.
7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, биофизике, медицине и промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей потоков газовых и конденсированных сред.The invention relates to measuring technique and can find application in experimental hydro- and aerodynamics, thermophysics, biophysics, medicine and industrial technologies related to the need to study the flow rates of gas and condensed matter.

Известны лазерные доплеровские измерители скорости, действие которых основано на эффекте Доплера в лазерном излучении, рассеянном исследуемой средой. Для измерения скорости используются лазерные доплеровские измерители скорости, в которых зондирующее поле конфигурируется из трех лазерных пучков [патент USA 4838687], или четырех лазерных пучков [патент US 3897152 А], при этом устройства содержат источник лазерного излучения, расщепитель пучка, оптический формирователь зондирующего поля, а лазерные пучки имеют гауссовское распределение интенсивности в сечении. Зондирующее поле в таких устройствах формируется как интерференционное поле, образующееся при пересечении гауссовских пучков в исследуемой среде. В области пересечения гауссовских пучков интерференционное поле пространственно ограничивается поверхностью эллипсоида. Одна из осей эллипсоида ориентирована по биссектрисе угла между направлениями интерферирующих лазерных пучков. В сечениях зондирующего поля, не совпадающих с пересечением перетяжек гауссовых пучков, пространственная частота интерференционного поля Kx уменьшается по закону

Figure 00000001
[Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское из-во, 2003, 418 с.], где K0 - пространственная частота в области пересечения перетяжек, R0 - конфокальный параметр гауссова пучка, x - расстояние от плоскости пересечения перетяжек, K0=2π/Λ0, Λ0 - пространственный период интерференционного поля в плоскости пересечения перетяжек.Known laser Doppler speed meters, the effect of which is based on the Doppler effect in laser radiation scattered by the medium under study. Laser Doppler velocity meters are used to measure the speed, in which the probe field is configured of three laser beams [US Pat. No. 4,838,687], or four laser beams [US Pat. No. 3,897,152 A], the devices comprising a laser source, a beam splitter, and an optical probe for the probing field , and the laser beams have a Gaussian intensity distribution in the cross section. A sounding field in such devices is formed as an interference field, which is formed when Gaussian beams intersect in the medium under study. In the region of intersection of Gaussian beams, the interference field is spatially limited by the surface of the ellipsoid. One of the axes of the ellipsoid is oriented along the bisector of the angle between the directions of the interfering laser beams. In sections of the probe field that do not coincide with the intersection of the constrictions of the Gaussian beams, the spatial frequency of the interference field K x decreases according to the law
Figure 00000001
[Yu.N. Dubnischev, V.A. Arbuzov, P.P. Belousov, P.Ya. Belousov. Optical methods for studying flows. Novosibirsk, Siberian University University, 2003, 418 pp.], Where K 0 is the spatial frequency in the region of the intersection of the constrictions, R 0 is the confocal parameter of the Gaussian beam, x is the distance from the plane of intersection of the constrictions, K 0 = 2π / Λ 0 , Λ 0 is the spatial period of the interference field in the plane of intersection of the constrictions.

Однако в указанных устройствах недостатком является пониженная точность измерений за счет указанного изменения пространственной частоты, определяющейся кривизной волнового фронта гауссовых пучков (в плоскости перетяжки эта кривизна нулевая). Оно приводит к погрешности измерения скорости. Например, в случае ламинарного потока (движения с постоянной скоростью) эта погрешность интерпретируется как появление «виртуальной турбулентности» с относительной интенсивностью порядка 10-2÷10-3.However, in these devices, the disadvantage is the reduced measurement accuracy due to the indicated change in spatial frequency, determined by the curvature of the wavefront of Gaussian beams (this curvature is zero in the waist plane). It leads to an error in the measurement of speed. For example, in the case of a laminar flow (movement at a constant speed), this error is interpreted as the appearance of “virtual turbulence” with a relative intensity of the order of 10 -2 ÷ 10 -3 .

Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в [A. Voight, S. Heitrfm, L. Buttner, and J. Czarske, "A Bessel beam laser Doppler velocimeter," Opt. Commun., vol. 282, No 9, pp. 1874-1878, (2009)], содержащий источник лазерного излучения, аксикон, дифракционную решетку, оптический формирователь зондирующего поля, фотоприемник, подключенный к системе обработки сигнала, при этом зондирующее поле для измерения одной компоненты вектора скорости предлагается формировать пересечением двух бесселевых пучков. Как известно, волновой фронт бесселева пучка - плоский. Поэтому в структуре зондирующего поля, образованной интерференцией бесселевых пучков, пространственная частота постоянна. Это позволяет исключить погрешность измерений, связанную с непостоянством пространственной частоты зондирующего поля, образованного интерференцией гауссовых пучков. В этом устройстве бесселев пучок образуется в результате дифракции гауссова лазерного пучка на аксиконе. Бесселев пучок направляется на дифракционную решетку, где в результате дифракции Рамана-Ната преобразуется в два пучка, дифрагированные в +1 и -1 порядки. Нулевой порядок дифракции блокируется. Дифрагированные пучки оптической системой направляются в исследуемую среду, где в области пересечения бесселевых пучков формируется зондирующее поле с однородной пространственно-частотной структурой.Also known is a laser Doppler speed meter described in [A. Voight, S. Heitrfm, L. Buttner, and J. Czarske, "A Bessel beam laser Doppler velocimeter," Opt. Commun., Vol. 282, No. 9, pp. 1874-1878, (2009)], containing a laser source, axicon, diffraction grating, optical probing field shaper, photodetector connected to the signal processing system, while the probing field for measuring one component of the velocity vector is proposed to be formed by the intersection of two Bessel beams. As is known, the wavefront of a Bessel beam is flat. Therefore, in the structure of the probing field formed by the interference of Bessel beams, the spatial frequency is constant. This allows us to exclude the measurement error associated with the inconstancy of the spatial frequency of the probe field formed by the interference of Gaussian beams. In this device, a Bessel beam is formed as a result of diffraction of a Gaussian laser beam on an axicon. The Bessel beam is directed to the diffraction grating, where, as a result of Raman-Nath diffraction, it is converted into two beams diffracted by +1 and -1 orders of magnitude. Zero diffraction order is blocked. The diffracted beams are sent by the optical system to the medium under study, where a probe field with a homogeneous spatial-frequency structure is formed in the intersection region of the Bessel beams.

Однако в указанном устройстве основным недостатком является невозможность измерения двух ортогональных компонент вектора скорости и низкая энергетическая эффективность из-за неиспользования (блокирования) бесселева пучка, дифрагированного в нулевой порядок при дифракции Рамана-Ната на дифракционной решетке.However, in the indicated device, the main disadvantage is the impossibility of measuring two orthogonal components of the velocity vector and low energy efficiency due to the non-use (blocking) of a Bessel beam diffracted to zero order during Raman-Nath diffraction on a diffraction grating.

Кроме того, известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в книге [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2003, 418 с., на стр. 230-231, рис. 4.20], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий источник двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков, последовательно с которым расположены: акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков, и призма Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией акустооптического модулятора. Между источником двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков и акустооптическим модулятором помещен объектив. Между акустооптическим модулятором и призмой Волластона помещен второй объектив, выполняющий их оптическое сопряжение. Последовательно с призмой Волластона расположена оптический формирователь зондирующего поля в исследуемой среде и его изображения, сформированного в свете, рассеянном исследуемой средой, на фотоприемнике, подключенном к системе обработки сигналов. Работа устройства состоит в том, что два поляризованных лазерных пучка пространственно совмещают и направляют на акустооптический брэгговский модулятор бегущей волны. Дифрагированные в первый и в минус первый порядки световые пучки направляют на призму Волластона, ориентация которой согласована с поляризацией падающих пучков. Расщепленные попарно призмой Волластона световые пучки согласуют по поляризации и направляют в исследуемую среду. Зондирующее поле в исследуемой среде образуют пересечением световых пучков, частоты которых отличаются на частоту ультразвуковой волны в модуляторе. Формируют в свете, рассеянном исследуемой средой, изображение зондирующего поля и выполняют его фотоэлектрическое преобразование. Измеряют частоту фотоэлектрического поля.In addition, the known laser Doppler speed meter described in the book [Yu.N. Dubnischev, V.A. Arbuzov, P.P. Belousov, P.Ya. Belousov. Optical flow studies. Novosibirsk, Siberian University Publishing House, 2003, 418 pp., Pp. 230-231, Fig. 4.20], which is the prototype of the present invention and containing a source of two spatially aligned polarized laser beams, in series with which are located: an acousto-optic traveling wave modulator oriented at a Bragg angle to the direction of spatially aligned polarized laser beams, and a Wollaston prism, the orientation of which is consistent with the orientation of the acousto-optical modulator . A lens is placed between the source of two spatially aligned polarized laser beams and an acousto-optic modulator. A second lens is placed between the acousto-optical modulator and the Wollaston prism, which performs their optical conjugation. In series with the Wollaston prism, an optical probe of the probe field in the medium under study and its image formed in the light scattered by the medium under study are located on a photodetector connected to a signal processing system. The operation of the device consists in the fact that two polarized laser beams are spatially aligned and directed to an acousto-optic Bragg modulator of a traveling wave. The light beams diffracted in the first and minus first orders are directed to the Wollaston prism, the orientation of which is consistent with the polarization of the incident beams. The light beams split in pairs by the Wollaston prism coordinate according to polarization and direct to the medium under study. A probe field in the medium under study is formed by the intersection of light beams whose frequencies differ by the frequency of the ultrasonic wave in the modulator. An image of the probing field is formed in the light scattered by the test medium and its photoelectric conversion is performed. The frequency of the photoelectric field is measured.

Однако указанный измеритель обладает недостатком в виде пониженной точности измерений за счет формирования зондирующего поля гауссовыми пучками и возникающей при этом его пространственно-частотной неоднородностью.However, this meter has the disadvantage of reduced measurement accuracy due to the formation of the probing field by Gaussian beams and the resulting spatial-frequency inhomogeneity.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости.The task (technical result) of the present invention is to increase the accuracy of measuring speed.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно расположенные источник излучения двух пространственно совмещенных лазерных пучков, состоящий из двух лазеров и оптического элемента, пространственно совмещающего направления излучения лазеров, первый объектив, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны, второй объектив, первую призму Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией лазерных пучков указанного источника излучения, оптический формирователь зондирующего поля, на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, последовательно расположены поворотное зеркало и первый фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов, введены ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая и вторая дисперсионные полуволновые фазовые пластинки, первая и вторая полуволновые фазовые пластинки, коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, конфокальная линзовая система, хроматический фильтр, дихроичное зеркало, второй фотоприемник. При этом в качестве источника излучения двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков использован бихроматический источник поляризованного лазерного излучения, между брэгговским акустооптическим модулятором бегущей волны и первой призмой Волластона на пути одного из дифрагированных пучков помещена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка. Между первой призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля последовательно установлены коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, между второй и третьей призмами Волластона последовательно установлены конфокальная линзовая система, оптически сопрягающая плоскости расположения этих призм, между конфокальной линзовой системой и третьей призмой Волластона на пути каждого из световых пучков помещены первая и вторая фазовые полуволновые пластинки, оптический формирователь зондирующего поля выполнен в виде конфокальной линзовой системы. Между третьей призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля на путях одной пары, ортогонально поляризованных расщепленных третьей призмой Волластона световых пучков помещен хроматический фильтр, и последовательно с ним на путях другой пары одинаково поляризованных пучков помещены первая и вторая полуволновые фазовые пластинки. Между оптическим формирователем зондирующего поля и первым фотоприемником на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, установлено дихроичное зеркало, коэффициенты пропускания и отражения которого согласованы с бихроматическим источником лазерного излучения, в плоскости изображения зондирующего поля, сформированного в отраженном дихроичным зеркалом пучке, установлен второй фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов.The problem is achieved in that in the known device containing a sequentially located radiation source of two spatially aligned laser beams, consisting of two lasers and an optical element, spatially combining the directions of laser radiation, the first lens, a Bragg acousto-optical traveling wave modulator, the second lens, the first Wollaston prism the orientation of which is consistent with the orientation of the laser beams of the specified radiation source, the optical probe of the probe along I, in the path of the light beam scattered by the medium under study, a rotary mirror and the first photodetector connected to the signal processing system are arranged in series, an achromatic half-wave phase plate, the first and second dispersive half-wave phase plates, the first and second half-wave phase plates, a collimator, an axicon are introduced, second and third Wollaston prisms, confocal lens system, chromatic filter, dichroic mirror, second photodetector. In this case, a bichromatic source of polarized laser radiation was used as a radiation source of two spatially aligned polarized laser beams; an achromatic half-wave phase plate was placed in the path of one of the diffracted beams between the Bragg acousto-optic traveling wave modulator and A collimator, axicon, second and third Wollaston prisms are sequentially installed between the first Wollaston prism and the optical imager of the probing field, between the second and third Wollaston prisms a confocal lens system is installed, optically interfacing the planes of these prisms, between the confocal lens system and the third Wollaston prism on the way of each of the light beams placed the first and second phase half-wave plates, the optical probe of the probing field is made in Ideal confocal lens system. A chromatic filter is placed between the third Wollaston prism and the optical imaging probe field on the paths of one pair of orthogonally polarized split third light beams of the Wollaston prism, and the first and second half-wave phase plates are placed sequentially on the paths of another pair of identically polarized beams. A dichroic mirror is installed between the optical imaging probe of the probe field and the first photodetector in the path of the light beam scattered by the medium under study, the transmittance and reflection coefficients of which are consistent with the bichromatic laser radiation source, and a second photodetector is installed in the image plane of the probe field formed in the reflected dichroic mirror connected to a signal processing system.

На Фиг. 1 показана плоская проекция структурной схемы предложенного измерителя.In FIG. 1 shows a flat projection of the structural diagram of the proposed meter.

На Фиг. 2 показана аксонометрическая проекция структурной схемы предложенного измерителя.In FIG. 2 shows a perspective view of the structural diagram of the proposed meter.

На Фиг. 3 представлена векторная схема световых пучков, формирующих измерительный объем.In FIG. 3 is a vector diagram of light beams forming a measuring volume.

На Фиг. 4 показана поляризационная структура лазерных пучков в плоскости после второй призмы Волластона.In FIG. Figure 4 shows the polarization structure of laser beams in the plane after the second Wollaston prism.

На Фиг. 5 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости перед третьей призмой Волластона.In FIG. 5 shows the polarization structure of Bessel beams in a plane in front of the third Wollaston prism.

На Фиг. 6 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости между третьей призмой Волластона и фазовыми полуволновыми пластинками.In FIG. Figure 6 shows the polarization structure of Bessel beams in the plane between the third Wollaston prism and phase half-wave plates.

На Фиг. 7 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости между полуволновыми фазовыми пластинками и оптической системой формирования зондирующего поля.In FIG. 7 shows the polarization structure of Bessel beams in the plane between the half-wave phase plates and the optical system for the formation of the probe field.

Предлагаемый измеритель (Фиг. 1) содержит лазеры 1, 2 и зеркальную призму 3, образующие источник бихроматического светового пучка. Последовательно с источником расположены: объектив 4, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны 5, объектив 6, ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 7, первая призма Волластона 8, коллиматор, состоящий из линз 9 и 10, аксикон 11, вторая призма Волластона 12, конфокально расположенные объективы 13 и 14, полуволновые дисперсионные фазовые пластинки 15 и 16, третья призма Волластона 17. Последовательно с призмой 17 расположены: хроматический фильтр 18, полуволновые фазовые пластинки 19 и 20, оптический формирователь зондирующего поля, состоящий из конфокально расположенных объективов 21 и 22. Между объективами 21 и 22 помещено поворотное зеркало 23. На пути светового пучка, отраженного зеркалом 23, установлены: дихроичное зеркало 24, объектив 25 и фотоприемник 26. На пути отраженного дихроичным зеркалом 24 светового пучка последовательно расположены объектив 27 и фотоприемник 28. Выходы фотоприемников 26 и 28 подключены к системе обработки сигналов.The proposed meter (Fig. 1) contains lasers 1, 2 and a mirror prism 3, forming a source of a bichromatic light beam. Consistently with the source are: lens 4, Bragg acousto-optic traveling wave modulator 5, lens 6, achromatic half-wave phase plate 7, first Wollaston prism 8, collimator consisting of lenses 9 and 10, axicon 11, second Wollaston prism 12, confocal lenses 13 and 14, half-wave dispersion phase plates 15 and 16, the third prism of Wollaston 17. Sequentially with the prism 17 are located: a chromatic filter 18, half-wave phase plates 19 and 20, an optical probe of the probe field, with consisting of confocal lenses 21 and 22. A rotary mirror 23 is placed between the lenses 21 and 22. In the path of the light beam reflected by the mirror 23, there are: a dichroic mirror 24, a lens 25 and a photodetector 26. In the path of the light beam reflected by a dichroic mirror 24 a lens 27 and a photodetector 28. The outputs of the photodetectors 26 and 28 are connected to a signal processing system.

Предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости работает следующим образом. Линейно поляризованные световые пучки, один из которых излучается лазером 1 на длине волны λ1, а другой - лазером 2 на длине волны λ2, направляются на зеркальную призму 3, отражаются в параллельных направлениях и объективом 4 направляются под углами Брэгга, φ11/2Λ а и φ22/2Λ а , на акустооптический модулятор бегущей волны 5. Лазерные пучки, падающие на зеркальную призму 3, имеют одинаковую поляризацию, ТЕ или ТМ. После отражения от призмы 3 они объективом 4 преобразуются в световые пучки, пересекающиеся в плоскости перетяжки под углом φ12:The proposed laser Doppler speed meter works as follows. Linearly polarized light beams, one of which is emitted by laser 1 at a wavelength of λ 1 , and the other by laser 2 at a wavelength of λ 2 , are directed to a mirror prism 3, reflected in parallel directions and lens 4 are directed at Bragg angles, φ 1 = λ 1 / 2Λ a and φ 2 = λ 2 / 2Λ a , on the acousto-optic traveling wave modulator 5. Laser beams incident on mirror prism 3 have the same polarization, TE or TM. After reflection from prism 3, they are converted by lens 4 into light beams intersecting in the waist plane at an angle φ 12 :

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где Λ a - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе 5.where Λ a is the spatial period of the ultrasonic wave in the acousto-optical modulator 5.

Дифрагированные в первый и минус первый порядки лазерные пучки имеют относительный частотный сдвиг Ω, равный частоте бегущей в модуляторе 5 ультразвуковой волны. Эти пучки объективом 6 направляются на призму Волластона 8. Объектив 6 преобразует дифрагированные бихроматические пучки с угловым увеличением γ, равным отношению угла расщепления α, характеризующего призму Волластона 8, к удвоенному углу Брэгга, который вычисляется как:The laser beams diffracted in the first and minus first orders have a relative frequency shift Ω equal to the frequency of the ultrasonic wave traveling in the modulator 5. These beams are directed by the lens 6 to the Wollaston prism 8. The lens 6 converts the diffracted bichromatic beams with an angular increase of γ equal to the ratio of the splitting angle α characterizing the Wollaston prism 8 to the doubled Bragg angle, which is calculated as:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где

Figure 00000004
.Where
Figure 00000004
.

На пути лазерных пучков с длинами волн λ1 и λ2, дифрагированных в первый или минус первый порядки, установлена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 7. Она согласует поляризации пучков, падающих на поляризационную призму 8. Призма Волластона 8 пространственно совмещает падающие на нее под углом α ортогонально поляризованные пучки. Коллиматор, состоящий из объективов 9 и 10, расширяет световой пучок и направляет его на аксикон 11. Аксикон 11 формирует бесселев пучок, который направляется на призму Волластона 12, где расщепляется на два бихроматических ортогонально поляризованных бесселевых пучка с относительным частотным сдвигом Ω. Бесселевы пучки оптической системой, состоящей из объективов 13 и 14, направляются на призму Волластона 17 под углом, равным углу расщепления поляризационной призмы.On the path of laser beams with wavelengths λ 1 and λ 2 diffracted by first or minus first orders, an achromatic half-wave phase plate 7 is installed. It matches the polarization of the beams incident on the polarizing prism 8. The Wollaston prism 8 spatially combines the incident ones at an angle α orthogonally polarized beams. A collimator, consisting of lenses 9 and 10, expands the light beam and directs it to axicon 11. Axicon 11 forms a Bessel beam, which is directed to the Wollaston prism 12, where it splits into two bichromatic orthogonally polarized Bessel beams with a relative frequency shift Ω. Bessel beams by an optical system consisting of lenses 13 and 14 are directed to the Wollaston prism 17 at an angle equal to the angle of splitting of the polarizing prism.

На Фиг. 4 показана поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости 29 непосредственно за объективом 14. Эти бихроматические бесселевы пучки ортогонально поляризованы. Дисперсионные полуволновые фазовые пластинки 15 и 16 поворачивают плоскость поляризации одной из хроматических компонент λ1 на 90°. Поляризационная структура бесселевых пучков в плоскости 30 непосредственно после полуволновых фазовых пластинок 15 и 16 показана на Фиг. 5. Эти пучки призмой Волластона 17 расщепляются на четыре хроматически селектированных бесселевых пучка, поляризации которых в плоскости 31 показаны на Фиг. 6. Центры этих пучков, как видно из Фиг. 6, расположены в вершинах прямоугольника, близкого к квадрату. Одна диагональ прямоугольника (xx) проходит через сечение пучков, цвет которых соответствует длине волны λ1. Другая диагональ (y'y') проходит через сечения пучков, цвет которых определяется длиной волны λ2. Пересекающиеся диагонали xx и y'y' задают направления осей координатно-измерительного базиса, близкого к ортогональному. Степень приближения к ортогональному базису (с осями xx и yy) зависит от разницы углов Брэгга Δφ при дифракции на ультразвуковой волне лазерных пучков с длинами волн λ1 и λ2:In FIG. 4 shows the polarization structure of Bessel beams in a plane 29 immediately behind the lens 14. These bichromatic Bessel beams are orthogonally polarized. The dispersed half-wave phase plates 15 and 16 rotate the plane of polarization of one of the chromatic components λ 1 by 90 °. The polarization structure of the Bessel beams in the plane 30 immediately after the half-wave phase plates 15 and 16 is shown in FIG. 5. These beams by the Wollaston prism 17 are split into four chromatically selected Bessel beams, the polarizations of which in plane 31 are shown in FIG. 6. The centers of these beams, as can be seen from FIG. 6 are located at the vertices of a rectangle close to a square. One diagonal of the rectangle (xx) passes through the section of beams whose color corresponds to the wavelength λ 1 . Another diagonal (y'y ') passes through sections of beams whose color is determined by the wavelength λ 2 . The intersecting diagonals xx and y'y 'define the directions of the axes of the coordinate measuring base, which is close to the orthogonal. The degree of approximation to the orthogonal basis (with the xx and yy axes) depends on the difference in the Bragg angles Δφ upon diffraction by ultrasonic wave of laser beams with wavelengths λ 1 and λ 2 :

Figure 00000005
Figure 00000005

где Δλ=λ12;where Δλ = λ 12 ;

Δ a - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.Δ a is the spatial period of the ultrasonic wave in the acousto-optical modulator.

Из (1) следует оценка неортогональности осей координатно-измерительного базиса:From (1) follows the estimation of the nonorthogonality of the axes of the coordinate measuring base:

Figure 00000006
.
Figure 00000006
.

При λ1=0,532 мкм (зеленый цвет) и λ2=0,65 мкм (красный цвет) Δψ=0,05. Коррекция ортогональности координатно-измерительного базиса при необходимости достигается поворотом поляризационной призмы 8 относительно оптической оси на угол Δψ и компенсационным поворотом поляризации пучка на выходе поляризационной призмы 3 с использованием, например, полуволновой ахроматической фазовой пластинки либо конструктивно. На практике λ1=0,55 мкм и λ2=0,65 мкм ортогональность координатно-измерительного базиса без каких-либо подстроек выполняется с угловым отклонением Δψ≈2°, что дает вклад в погрешность измерения проекций вектора скорости, не превышающий

Figure 00000007
. Центры сечений бесселевых пучков, селектированных на длинах волн λ1 и λ2, соответственно локализованы на взаимно ортогональных диагоналях квадрата. В случае недостаточно качественной хроматической селекции бесселевых пучков, сформированных призмой Волластона 17, на пути соответствующих диагональных пар пучков устанавливаются хроматический фильтр 18 с пропусканием на длине волны λ1. Согласование поляризаций монохроматических диагональных пар пучков достигается использованием полуволновых пластинок 19 и 20 на длинах волн λ1 и λ2. Согласованная поляризационная структура монохроматических диагональных пар бесселевых пучков в плоскости 32 после фазовых пластинок 19 и 20 показана на Фиг. 7. Конфокальная оптическая система, состоящая из объективов 21 и 22, формирует в исследуемой среде зондирующее оптическое поле, локализованное в области пересечения монохроматических пар бесселевых пучков. Масштаб изображения зондирующего поля определяется отношением фокусных расстояний объективов 21 и 22. Пространственно-частотная структура монохроматических зондирующих полей определяется интерференцией монохроматических пар бесселевых пучков. Взаимная ориентация интерференционных полос в пространственно совмещенных монохроматических зондирующих полях ортогональна. Пространственно-частотная структура монохроматических зондирующих полей однородна, поскольку волновой фронт бесселевых пучков плоский. Максимальный диаметр зондирующего поля определяется пространственным интервалом, соответствующим главному максимуму бесселевой функции нулевого порядка, описывающей поперечное сечение бесселевого пучка. Поперечный размер зондирующего поля оценивается как диаметр главного максимума бесселевой функции нулевого порядка, деленный на тангенс половины угла между волновыми векторами интерферирующих бесселевых пучков. Зондирующее поле ограничивается поверхностью эллипсоида вращения, ось которого ориентирована по биссектрисе угла между волновыми векторами бесселевых пучков.When λ 1 = 0.532 μm (green) and λ 2 = 0.65 μm (red) Δψ = 0.05. Correction of the orthogonality of the coordinate-measuring basis, if necessary, is achieved by rotating the polarization prism 8 relative to the optical axis by an angle Δψ and compensating rotation of the beam polarization at the output of the polarizing prism 3 using, for example, a half-wave achromatic phase plate or structurally. In practice, λ 1 = 0.55 μm and λ 2 = 0.65 μm, the orthogonality of the coordinate-measuring basis without any adjustments is performed with an angular deviation Δψ≈2 °, which contributes to the measurement error of the projections of the velocity vector, not exceeding
Figure 00000007
. The centers of the cross sections of Bessel beams selected at wavelengths λ 1 and λ 2 , respectively, are localized on mutually orthogonal diagonals of the square. In the case of insufficiently qualitative chromatic selection of Bessel beams formed by the Wollaston prism 17, a chromatic filter 18 with transmission at a wavelength of λ 1 is installed in the path of the corresponding diagonal pairs of beams. Coordination of polarizations of monochromatic diagonal beam pairs is achieved using half-wave plates 19 and 20 at wavelengths λ 1 and λ 2 . The coordinated polarization structure of monochromatic diagonal pairs of Bessel beams in plane 32 after phase plates 19 and 20 is shown in FIG. 7. The confocal optical system, consisting of lenses 21 and 22, forms a probing optical field in the medium under study, localized in the region of intersection of monochromatic pairs of Bessel beams. The image scale of the probe field is determined by the ratio of the focal lengths of the lenses 21 and 22. The spatial-frequency structure of the monochromatic probe fields is determined by the interference of the monochromatic pairs of Bessel beams. The mutual orientation of interference fringes in spatially aligned monochromatic probing fields is orthogonal. The spatial-frequency structure of monochromatic probe fields is homogeneous, since the wavefront of Bessel beams is flat. The maximum diameter of the probe field is determined by the spatial interval corresponding to the main maximum of the zero-order Bessel function, which describes the cross section of the Bessel beam. The transverse size of the probe field is estimated as the diameter of the main maximum of the zero-order Bessel function divided by the tangent of half the angle between the wave vectors of the interfering Bessel beams. The probe field is limited by the surface of the ellipsoid of revolution, whose axis is oriented along the bisector of the angle between the wave vectors of the Bessel beams.

Изображения монохроматических зондирующих полей в свете, рассеянном оптическими неоднородностями (частицами), движущимися в исследуемой среде, поворотным зеркалом 23, дихроичным зеркалом 24 и объективами 25 и 27 хроматически селектируются и формируются соответственно на фотоприемниках 26 и 28. Частота модуляции изображения частицы определяется как отношение скорости движения к монохроматическому пространственному периоду интерференционной структуры:Images of monochromatic probe fields in light scattered by optical inhomogeneities (particles) moving in the medium under study, a rotary mirror 23, a dichroic mirror 24, and lenses 25 and 27 are chromatically selected and formed respectively on photodetectors 26 and 28. The particle modulation frequency of the image is determined as the ratio of the velocity movement to the monochromatic spatial period of the interference structure:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Λx и Λy - размеры интерференционных полос, сформированных соответственно монохроматическими бесселевыми пучками с λ1 и λ2.where Λ x and Λ y are the sizes of interference fringes formed respectively by monochromatic Bessel beams with λ 1 and λ 2 .

При этом указанные размеры интерференционных полос определяются как:Moreover, the indicated dimensions of the interference fringes are determined as:

Figure 00000009
Figure 00000009

где 2θ1 - угол между волновыми векторами бесселевых пучков с длиной волны λ1;where 2θ 1 is the angle between the wave vectors of Bessel beams with a wavelength of λ 1 ;

2 - угол между волновыми векторами бесселевых пучков с длиной волны λ2.2 is the angle between the wave vectors of Bessel beams with a wavelength of λ 2 .

Частоты ƒDx и ƒDy определяются через доплеровские сдвиги частоты в световых полях, рассеянных движущимися частицами (оптическими неоднородностями) при пересечении бесселевых монохроматических пучков, формирующих соответствующее зондирующее поле:The frequencies ƒ Dx and ƒ Dy are determined through Doppler frequency shifts in light fields scattered by moving particles (optical inhomogeneities) when crossing Bessel monochromatic beams forming the corresponding probing field:

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
.Where
Figure 00000011
.

АналогичноSimilarly

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000013
.Where
Figure 00000013
.

Технический результат заключается в том, что обеспечивается повышение точности измерений предлагаемого устройства, которое в отличие от известного лазерного доплеровского измерителя скорости, основанного на использовании гауссовых пучков, использует бесселевы пучки, имеющие плоский волновой фронт в сечении, размер которого определяется главным максимумом функции Бесселя нулевого порядка. Однородность пространственно-частотной структуры зондирующего поля в бесселевом ЛДИС (БЛДИС) по сравнению с гауссовым ЛДИС на порядок выше, а измерительный объем на порядок меньше при одинаковых углах между направлениями лазерных пучков, формирующих зондирующее поле.The technical result consists in that it improves the measurement accuracy of the proposed device, which, in contrast to the known laser Doppler velocity meter based on the use of Gaussian beams, uses Bessel beams having a plane wave front in cross section, the size of which is determined by the main maximum of the Bessel function of zero order . The homogeneity of the spatial-frequency structure of the probe field in a Bessel LDIS (BLDIS) is an order of magnitude higher than that of a Gaussian LDIS, and the measurement volume is an order of magnitude smaller at the same angles between the directions of the laser beams forming the probe field.

Claims (1)

Лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий последовательно расположенные источник излучения двух пространственно совмещенных лазерных пучков, состоящий из двух лазеров и оптического элемента, пространственно совмещающего направления излучения лазеров, первый объектив, брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны, второй объектив, первую призму Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией лазерных пучков указанного источника излучения, оптический формирователь зондирующего поля, на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, последовательно расположены поворотное зеркало и первый фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов, отличающийся тем, что в него введены ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая и вторая дисперсионные полуволновые фазовые пластинки, первая и вторая полуволновые фазовые пластинки, коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, конфокальная линзовая система, хроматический фильтр, дихроичное зеркало, второй фотоприемник, при этом в качестве источника излучения двух пространственно совмещенных поляризованных лазерных пучков использован бихроматический источник поляризованного лазерного излучения, между брэгговским акустооптическим модулятором бегущей волны и первой призмой Волластона на пути одного из дифрагированных пучков помещена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, между первой призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля последовательно установлены коллиматор, аксикон, вторая и третья призмы Волластона, между второй и третьей призмами Волластона последовательно установлены конфокальная линзовая система, оптически сопрягающая плоскости расположения этих призм, между конфокальной линзовой системой и третьей призмой Волластона на пути каждого из световых пучков помещены первая и вторая фазовые полуволновые пластинки, оптический формирователь зондирующего поля выполнен в виде конфокальной линзовой системы, между третьей призмой Волластона и оптическим формирователем зондирующего поля на путях одной пары, ортогонально поляризованных расщепленных третьей призмой Волластона световых пучков помещен хроматический фильтр, и последовательно с ним на путях другой пары одинаково поляризованных пучков помещены первая и вторая полуволновые фазовые пластинки, между оптическим формирователем зондирующего поля и первым фотоприемником на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, установлено дихроичное зеркало, коэффициенты пропускания и отражения которого согласованы с бихроматическим источником лазерного излучения, в плоскости изображения зондирующего поля, сформированного в отраженном дихроичным зеркалом пучке, установлен второй фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов.Laser Doppler speed meter containing a sequentially located radiation source of two spatially aligned laser beams, consisting of two lasers and an optical element that spatially combines the directions of laser radiation, the first lens, a Bragg acousto-optic traveling wave modulator, a second lens, the first Wollaston prism, the orientation of which is consistent with the orientation of the laser beams of the specified radiation source, the optical probe of the probing field, in the path of the light a sample dispersed by the medium under study, a rotary mirror and a first photodetector connected to a signal processing system are arranged in series, characterized in that an achromatic half-wave phase plate, the first and second dispersive half-wave phase plates, the first and second half-wave phase plates, a collimator, an axicon are inserted , the second and third prisms of Wollaston, a confocal lens system, a chromatic filter, a dichroic mirror, a second photodetector, while two x spatially aligned polarized laser beams, a bichromatic source of polarized laser radiation was used, between the Bragg acousto-optic traveling wave modulator and the first Wollaston prism, an achromatic half-wave phase plate was placed on the path of one of the diffracted beams, between the first Wollaston prism and the probing optical field shaper, the axial field probe was installed in series second and third prisms of Wollaston, between the second and third prisms of Wollaston last a confocal lens system was installed that optically matches the location planes of these prisms, between the confocal lens system and the third Wollaston prism, the first and second phase half-wave plates are placed in the path of each of the light beams, the optical probe shaper is made in the form of a confocal lens system, between the third Wollaston prism and the optical driver of the probing field on the paths of one pair orthogonally polarized by the light of the third Wollaston prism of the beams, a chromatic filter is placed, and the first and second half-wave phase plates are placed sequentially with it on the paths of another pair of equally polarized beams, a dichroic mirror is installed on the path of the light beam scattered by the medium under study, the transmission and reflection coefficients which are consistent with the bichromatic source of laser radiation in the image plane of the probe field formed in the reflected dichroic mirror th beam has a second photodetector connected to the signal processing system.
RU2016126072A 2016-06-28 2016-06-28 Laser doppler velocimeter RU2638110C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126072A RU2638110C1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 Laser doppler velocimeter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126072A RU2638110C1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 Laser doppler velocimeter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2638110C1 true RU2638110C1 (en) 2017-12-11

Family

ID=60718679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016126072A RU2638110C1 (en) 2016-06-28 2016-06-28 Laser doppler velocimeter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2638110C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707957C1 (en) * 2019-04-18 2019-12-02 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Laser doppler velocity meter
CN111307761A (en) * 2019-11-21 2020-06-19 中国科学院西安光学精密机械研究所 Hyperspectral imaging device based on bispectrum section lamination interference
CN115166062A (en) * 2022-08-22 2022-10-11 天津大学 All-optical ultrasonic detector based on differential interference and detection method
CN116793330A (en) * 2023-08-25 2023-09-22 山西大学 Quantum enhanced fiber optic gyroscope based on continuous variable quantum entanglement source and method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2029307C1 (en) * 1992-07-06 1995-02-20 Юрий Николаевич Дубнищев Method of measuring velocity and diameter of particles in flow
KR20020050832A (en) * 2000-12-22 2002-06-28 신현준 Speed measurement apparatus and method of hot steel
US7012688B2 (en) * 2002-07-31 2006-03-14 Jan Arwood Northby Method and apparatus for measuring particle motion optically
US7777866B1 (en) * 2006-07-25 2010-08-17 Kyrazis Demos T Fixed difference, dual beam laser Doppler velocimetry

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2029307C1 (en) * 1992-07-06 1995-02-20 Юрий Николаевич Дубнищев Method of measuring velocity and diameter of particles in flow
KR20020050832A (en) * 2000-12-22 2002-06-28 신현준 Speed measurement apparatus and method of hot steel
US7012688B2 (en) * 2002-07-31 2006-03-14 Jan Arwood Northby Method and apparatus for measuring particle motion optically
US7777866B1 (en) * 2006-07-25 2010-08-17 Kyrazis Demos T Fixed difference, dual beam laser Doppler velocimetry

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707957C1 (en) * 2019-04-18 2019-12-02 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Laser doppler velocity meter
CN111307761A (en) * 2019-11-21 2020-06-19 中国科学院西安光学精密机械研究所 Hyperspectral imaging device based on bispectrum section lamination interference
CN111307761B (en) * 2019-11-21 2024-05-31 中国科学院西安光学精密机械研究所 Hyperspectral imaging device based on double-spectrum-section laminated interference
CN115166062A (en) * 2022-08-22 2022-10-11 天津大学 All-optical ultrasonic detector based on differential interference and detection method
CN115166062B (en) * 2022-08-22 2024-06-11 天津大学 All-optical ultrasonic detector based on differential interference and detection method
CN116793330A (en) * 2023-08-25 2023-09-22 山西大学 Quantum enhanced fiber optic gyroscope based on continuous variable quantum entanglement source and method
CN116793330B (en) * 2023-08-25 2023-11-14 山西大学 Quantum enhanced fiber optic gyroscope based on continuous variable quantum entanglement source and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2638110C1 (en) Laser doppler velocimeter
Gåsvik Optical metrology
Sirohi Introduction to optical metrology
Abdelsalam et al. Single-shot parallel four-step phase shifting using on-axis Fizeau interferometry
JPS62293110A (en) Angle-measuring plane mirror interferometer system
US10036630B1 (en) Three-dimensional imaging using a multi-phase projector
JP2017523441A (en) Interferometer
RU2638580C1 (en) Laser doppler velocity sensor
JP2012013574A (en) Optical type measurement device and prism for interferometer of the same
Prajapati et al. Interferometric method to measure the<? A3B2 show [pmg: line-break justify=" yes"/]?> Goos–Hänchen shift
US5028137A (en) Angular displacement measuring interferometer
US11248955B2 (en) Polarization measurement with interference patterns of high spatial carrier frequency
KR102418084B1 (en) Exit-pupil expander used distribute light over a liquid-crystal variable retarder
EP2535679A1 (en) Improvements in or relating to interferometry
Maru Laser Doppler cross-sectional velocity distribution measurement combining 16-channel spatial encoding and non-mechanical scanning
US20230236125A1 (en) Dynamic phase-shift interferometer utilizing a synchronous optical frequency-shift
JP3714853B2 (en) Planar shape measuring method in phase shift interference fringe simultaneous imaging device
Rasouli et al. Use of a two-channel moiré wavefront sensor for measuring topological charge sign of the vortex beam and investigation of its change due to an odd number of reflections
JPH1090117A (en) Method and instrument for measuring refractive index distribution
JP3441292B2 (en) Phase object measuring device
Malacara Wave optics
Ghosh et al. Cube beam-splitter interferometer for phase shifting interferometry
RU2707957C1 (en) Laser doppler velocity meter
JPWO2019211910A1 (en) Data acquisition device
Boreman Basic Wave Optics