CN103048112B - 脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法，主要测量风机扰动。装置包括探测激光光源、扩束***、二个分光镜、二个反射镜、光电探测器、数据采集器和处理器；二个分光镜和二个反射镜构成马赫泽德干涉***，分光镜放置在被测流场区域的两端；探测激光光源、扩束***和第一分光镜依次位于同一光路上，光电探测器位于第二分光镜的出射光路上。方法通过控制数据采样频率和样品数，对信号进行滤波后再进行FFT处理，将时域的周期性扰动信号转换为频域的信号，得到信号图谱以确定风机叶轮的扰动。本发明通过光学测量的方式获得风机转动的扰动信息，具有测量装置简单、精度高、操作方便的特点，具有很强的实用性。

Description

脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法，特别是配合马赫泽德干涉***来对横流风机叶轮造成的微小扰动的测量装置及其测量方法，该方法特别适用于对脉冲气体激光器腔内横流风机叶轮的微小扰动的测量。

背景技术

采用脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器如CO₂气体激光器和准分子激光器等在工业加工、集成电路光刻和激光医疗和等领域获得了广泛的应用。脉冲气体激光器中主放电区域工作介质的均匀性对放电均匀性及远场光束质量有重要影响，因此需要循环***来使放电区的工作介质不断更新，从而保证工作介质的均匀性。气体的循环流动由风机来驱动，风机种类主要有横流风机、轴流风机和离心风机。伴随着对重复频率指标的要求增高，对循环***中风机的转速要求也在不断提高，而在高流速条件下，轴流风机和离心风机的成本较高，而横流风机不仅能在高气压下获得较高的流速，且横流风机纵横与放电电极结构接近，使整个激光器结构紧凑。如图1所示为脉冲气体激光器的气体循环流动***剖面图，主要包括主放电电极101，预电离电极102，换热器103，横流风机104及其叶轮105。脉冲气体激光器中的气体循环流动主要由横流风机104来完成，横流风机104转动后由于转速不均匀性及其叶轮的结构等因素会对被测流场区域(即主放电区域)100的流场均匀性造成影响。特别在高重复频率实验条件下，风机工作时产生的流场不均匀性的影响会增加，风机扇叶交错在流场中会产生周期性的扰动，这些扰动虽然较小，但在应用于光刻的准分子激光器中，对光源的稳定性要求极高，因此需要不断对叶轮的结构进行优化，减小流场的扰动，同样也需要一种测量方法来对风机工作时的均匀性进行测量，特别是风机叶轮交错在流场中产生的扰动，这不仅是评估整个激光器***稳定性的一个重要参数，并能对风机叶轮结构的不断改进提供实验依据。众所周之，马赫泽德干涉仪是一种大型的光学测量仪器，适用于研究气体密度迅速变化的状态，如在风洞中实验飞机模型时产生的空气涡流和***过程中的冲击波等。但传统的马赫泽德装置不能直接用于测量脉冲气体激光器中风机的扰动，因为风机转动过程产生的扰动是气体密度缓变过程，整个观测区域内的密度变化不大，无法用CCD相机等成像方法获得有效的信息。

发明内容

本发明目的是提供一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及其测量方法，该装置及其测量方法能够简单而准确地测量风机工作时带来的扰动。

本发明提供的一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置，其特征在于，它包括探测激光光源、扩束***、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、数据采集器和处理器；

第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜和第二反射镜共同构成马赫泽德干涉***，第一反射镜及第二分光镜分别用于放置在被测流场区域的两端；探测激光光源、扩束***和第一分光镜依次位于同一光路上，光电探测器位于第二分光镜的出射光路上，数据采集器与光电探测器电连接，处理器与数据采集器电连接。

利用上述测量装置测量脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的方法，其特征在于：

第1步使探测光束覆盖激光器的整个观测窗口，调整马赫泽德干涉装置，在光电探测器的表面获得一个均匀光斑；

第2步控制数据采样频率f_s和采样样品数N，使采样频率f_s大于两倍的被测扰动信号频率，对光电探测器产生的信号进行记录；

第3步处理器对接收的信号进行滤波处理，再进行快速傅里叶变换处理，将时域的周期性扰动信号转换为频域的信号，得到信号图谱，横坐标为对应周期扰动信号的频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小；

第4步在信号图谱中，通过频域信号的峰值来确定风机叶轮的扰动，并确定扰动的频率和大小，该扰动的幅值与原点的幅值之比即为被测风机叶轮的扰动的相对大小。

本发明主要是针对影响脉冲气体激光器横流风机叶轮的关键因素的微小扰动进行测量，它基于马赫泽德干涉原理实现对脉冲气体激光器风机扰动测量，它通过马赫泽德干涉***获得无限等厚干涉条纹的亮光斑，采用有限光敏面大小的探测器来对获得的光强进行记录；由于风机工作时不同扇叶交替带来的扰动是具有周期性的，造成的折射率的变化也是周期性的，该周期性的扰动会使经历流场的探测光光强发生周期性的波动，光电探测器实时探测的功能能够获得这种扰动信息，控制数据采集卡控制数据的采样频率和采样数对信息进行实时记录，处理器对该数据进行处理并进行显示，从处理后的信息可以容易的获得脉冲气体激光器风机叶轮扰动的信息。

本发明通过光学测量的方式获得风机转动的扰动信息，具有测量装置简单、精度高、操作方便的特点，具有很强的实用性。

附图说明

图1为脉冲气体激光器的气体循环流动***剖面图；

图2为脉冲气体激光器中风机叶轮扰动测量的装置图；

图3为小孔控制光电探测器光敏面接收到的光斑大小的装置图；

图4为将马赫泽德装置调成无限等厚条纹时获得的光斑，其中中心实心区域为投射在探测器光敏面上的光斑区域；

图5为光电探测器探测到的实时信号，其中(a)为在脉冲气体激光器风机工作前；(b)为脉冲气体激光器风机工作后；

图6(a)为对实时信号进行高频滤波后的信号；(b)为进行快速傅里叶变换(FFT)后获得的频域信号，其中横坐标为频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小。

具体实施方式

风机工作之前，将马赫泽德干涉装置调整至无限等厚干涉厚条纹，即马赫泽德干涉***两路光束的光程差为波长的整数倍，由双光束干涉原理可知此时光强I大小为：

I＝4I₀cos²(kΔ)＝4I₀                         (1)

其中k为波矢量，Δ为两束光的光程差，I₀为每一路光束的光强大小。从上式可以看出风机工作前光强的大小为定值。当风机工作时会导致马赫泽德干涉***中两路光束的光程差Δ发生变化，而光程差Δ的变化主要是由风机工作时造成的气体折射率变化产生的，因此风机扇叶交错的扰动会使输出光强也产生一个周期性扰动。光电探测器能够对光强大小进行实时记录，获得光强随时间的变化关系。由于风机叶轮扰动导致的光强变化是周期性的，该波动的周期T与风机的转速n及叶轮的片数N相关，可由下式表示：

T＝1/Nn                           (2)

由于空气扰动和其它环境因素的影响，会在光电探测器实时探测到的信号中产生背景噪声信号，需要采用数字信号处理的办法对测量得到的实时信号进行处理，将时域信号换成频域信号，将周期性信号从背景噪声中提取出来，从而得到风机叶轮扰动的信息。本发明基于上述原理设计而成，下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供的脉冲气体激光器风机扰动测量装置，它主要包括探测激光光源201、扩束***202、第一分光镜203、第二分光镜206、第一反射镜204、第二反射镜205、光电探测器207、数据采集器208和处理器209。

分光镜203及206，反射镜204及205构成马赫泽德干涉***，反射镜204及分光镜206分别位于被测流场区域100的两端。探测激光光源201、扩束***202和第一分光镜203依次位于同一光路上，光电探测器207位于第二分光镜206的出射光路上，数据采集器208与光电探测器207电连接，处理器209与数据采集器208电连接。

工作时，探测激光光源201发射的光束经扩束***202扩束后通过分光镜203分成两路光，其中一路光依次经过反射镜205和分光镜206反射，另一路光经过反射镜204反射后，依次通过被测流场区域100和分光镜206，两路光在分光镜206重合后的光斑投射在光电探测器207表面，通过数据采集器208控制信号的采样频率f_s和采样样品数N，并将获得的数据交由处理器208进行数字信号处理并予以显示。所述光电探测器的光敏面大小为1～3mm²，远小于扩束后的光斑大小(依被测脉冲气体激光器的观测窗口大小而定)，从而增加测量的灵敏度；若探测器的面积较大，可以通过如图3所示的方法，通过在分光镜206和光电探测器207之间加小孔301，通过控制小孔301的大小来控制投射到光电探测器207表面的光斑的大小。

探测激光光源201发射的激光经扩束***202扩束后通过被测流场区域100，所述探测激光光源201可以是倍频的Nd∶YAG激光器，扩束***202为由透镜组成的扩束***，其扩束的倍率依据观测窗口大小而定。

利用上述的测量装置测量脉冲气体激光器横流风机扰动的方法，其主要包括以下几个步骤：

(1)实验装置的调整

确定脉冲气体激光器观测窗口的大小，进而确定扩束***的放大倍率，保证扩束后的探测光束能够覆盖整个观测窗口，获得大的测量区域；扩束后的光束经过马赫泽德干涉装置后投射于光电探测器207的表面。

(2)数据的采集

通过控制采集器208的数据采样频率f_s和采样样品数N，对光电探测器207产生的信号进行记录。为了避免混叠现象，应保证采样频率f_s大于两倍的被测扰动信号频率。为快速对数字信号进行傅里叶变换，采样样品数N＝2^γ，γ为整数。进行数字信号处理后在频轴上所能得到的最小频率间隔，即频率分辨率F满足F＝f_s/N，在采样频率一定的条件下，可以控制N的大小来获得需要的分辨率大小。

(3)时域信号的处理

信号中会包含一些高频的噪声信号，处理器209先采取滤波的数据处理方法对信号进行预处理，过滤掉高频信号；进而采用快速傅里叶变换(FFT)对采集的信号进行处理，将时域的周期性扰动信号转换为频域的信号，并得到信号图谱。

(4)确定扰动的大小

在FFT处理后的信号图谱中，横坐标为对应周期扰动信号的频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小，其中坐标原点对应的是信号的平均值大小。通过频域信号的峰值来确定风机叶轮的扰动，并确定扰动的频率和大小，该扰动的幅值与原点的幅值之比即为被测风机叶轮扰动的相对大小。

以下结合在脉冲气体激光器为例，其中风机转速为1400rpm，风机叶轮数为24，观测窗口区域为24mm×16mm。采用本发明装置***对脉冲气体激光器的风机叶轮的扰动进行测量，通过该实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述：

(1)风机转动之前，将探测激光光源201发射的光斑大小约为1.5mm的激光束经扩束***202扩束20倍后通过被测流场区域，调节马赫泽德干涉***，使其获得如图4所示的光斑形状，由于光电探测器207的光敏面面积为4.8mm²，因此在它前面放置了小孔301，投射在光电探测器207面上的光斑区域如图中黑色实心区域所示。

(2)结合上述实验条件，由公式(2)可知风机叶轮的扰动频率588Hz，数据采集器208的采样频率应大于该频率，实验中设为10⁵Hz。该采样频率下的输出大小如图5(a)所示，图中的扰动主要是由空气的扰动造成，该扰动使输出光强在I_max附近扰动，这些都是信号的背景噪声。风机工作时，光电探测器207接收到的光强会有相应的强弱变化，其输出信号如图5(b)所示。

(3)对风机工作后记录的数据进行滤波后如图6(a)所示滤波，对图6(a)中部分数据(样品数大小为1024)进行快速傅里叶变换处理后的图像如图6(b)所示，其中横坐标为对应周期扰动信号的频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小。

(4)图6(b)中的第二个峰值与风机叶轮造成的扰动相对应，它的频率和大小分别为586Hz和0.034。实验中为处理方便已将实时记录的信号其进行了归一化处理，未扰动前的直流输出归一化为1，则经过数据信号处理后得到的幅值即为相对扰动的大小。

综上所述，本发明能很好的对脉冲气体激光器风机叶轮的微小扰动进行测量，具有较好的准确性和较高的精度，方法简便，具有很强的操作性。

Claims (2)

1.一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置，其特征在于，它包括探测激光光源、扩束***、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、数据采集器和处理器；

第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜和第二反射镜共同构成马赫泽德干涉***，第一反射镜及第二分光镜分别用于放置在被测流场区域的两端；探测激光光源、扩束***和第一分光镜依次位于同一光路上，光电探测器位于第二分光镜的出射光路上，数据采集器与光电探测器电连接，处理器与数据采集器电连接；所述光电探测器的光敏面大小为1mm²～3mm²；该装置通过马赫泽德干涉***获得无限等厚干涉条纹的亮光斑，采用有限光敏面大小的探测器来对获得的光强进行记录，风机工作时不同扇叶交替带来的扰动是具有周期性的，造成的折射率的变化也是周期性的，该周期性的扰动会使经历流场的探测光光强发生周期性的波动，光电探测器利用实时探测功能获得这种扰动信息，控制数据采集器控制数据的采样频率和采样数对信息进行实时记录，处理器对该数据进行处理并进行显示，从处理后的信息获得脉冲气体激光器风机叶轮扰动的信息。

2.一种利用权利要求1所述测量装置测量脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的方法，其特征在于：风机工作之前，将马赫泽德干涉装置调整至无限等厚干涉厚条纹，再按下述步骤进行：

第1步使探测光束覆盖激光器的整个观测窗口，调整马赫泽德干涉装置，在光电探测器的表面获得一个均匀光斑；

第2步控制数据采样频率f_s和采样样品数N，使采样频率f_s大于两倍的被测扰动信号频率，以避免混叠现象，对光电探测器产生的信号进行记录；其中，所述采样样品数N等于2^γ，γ为整数，进行数字信号处理后在频轴上所能得到的最小频率间隔，即频率分辨率F满足F＝f_s/N，在采样频率一定的条件下，通过控制N的大小来获得需要的分辨率大小；

第3步处理器对接收的信号进行滤波处理，过滤掉高频信号；再对信号进行快速傅里叶变换处理，将时域的周期性扰动信号转换为频域的信号，得到信号图谱，横坐标为对应周期扰动信号的频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小；

第4步在信号图谱中，通过频域信号的峰值来确定风机叶轮的扰动，并确定扰动的频率和大小，该扰动的幅值与原点的幅值之比即为被测风机叶轮的扰动的相对大小。