CN111426446A - 一种多通道聚焦激光差分干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道聚焦激光差分干涉仪，属于流体力学测量领域。本发明多通道聚焦激光差分干涉仪包括发射光路和接收光路，发射光路包括：相干光源发生器、分束镜组、反射镜组、光学透镜组、第一偏振片组、第一棱镜组和第一凸透镜组；接收光路包括第二凸透镜组、第二棱镜组、第二偏振片组和光电接收器。通过利用分束镜组及对应的反射镜组将一束激光分成多束激光，并经过光学透镜组、第一偏振片组、第一棱镜组和第一凸透镜组后，在聚焦区域中形成多个焦点，随后经过第二凸透镜组、第二棱镜组、第二偏振片组后进入光电接收器并转化为电信号被采集***得到。能够同时测得流场中多个空间测点的密度脉动信息，极大提高了试验效率。

Description

一种多通道聚焦激光差分干涉仪

技术领域

本发明属于流体力学测量领域，更具体地，涉及一种多通道聚焦激光差分干涉仪。

背景技术

风洞实验是现阶段空气动力学研究的重要手段之一，实验中对流场信息的捕获离不开流场测量设备的支持。现阶段的定量的实验测量手段包括压力传感器、皮托管、热线风速仪等。但上述测量方法均存在不足：PCB等压力传感器只能捕捉到壁面上的压力脉动数据，且不适合极高温实验环境；皮托探头尺寸较大，空间分辨率低；热线风速仪探头容易损毁，尤其是在高超声速来流条件下。现阶段对于实验流场空间点高精度密度脉动信息可以通过聚焦激光差分干涉仪获得，且由于其非介入式的特性，不会被高速来流损毁，具有很强的优越性。但现有的聚焦激光差分干涉仪均为单通道,每次运行只能获取一个测点的信息，测量效率很低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其目的在于利用分束镜组及对应的反射镜组将单个激光器发射出的单束激光分为多束激光，随后在多个测点聚焦测量密度脉动信息，由此提供了一种用于风洞密度脉动测量的多通道聚焦激光差分干涉仪，可以同时测量流场内多个测点的密度脉动信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种多通道聚焦激光差分干涉仪，所述干涉仪包括发射光路和接收光路；所述发射光路包括：相干光源发生器、分束镜组、反射镜组、光学透镜组、第一偏振片组、第一棱镜组和第一凸透镜组，其中：

所述相干光源发生器用于发射一束相位相同且偏振方向一致的平行激光；

所述分束镜组包括多个分束镜，用于将所述相干光源发生器发出的一束平行激光分为光强相等的N束平行激光，N等于通道数；

所述反射镜组包括多个反射镜，用于改变所述平行激光的方向；

所述相干光源发生器发出的一束平行激光通过所述分束镜组和所述反射镜组后分为N束光强相等、方向相同的平行激光；每通道一束平行激光；

所述光学透镜组包含N个光学透镜，所述光学透镜用于将各通道的平行激光束分别发散成为锥形激光束；

所述第一偏振片组包含N个第一偏振片，所述第一偏振片用于滤除各通道锥形激光束中非线性偏振的干扰光线；

所述第一棱镜组包含N个第一棱镜，所述第一棱镜用于根据双折射原理分别将各通道的线性偏振光分离为两束强度相同且偏振方向相互垂直的偏振光；

所述第一凸透镜组包含N个第一凸透镜，所述第一凸透镜用于将各通道中两束偏振方向相互垂直的分离光束聚焦成两个分离的焦点，各通道两个分离的焦点处于聚焦区域中；

所述接收光路包括第二凸透镜组、第二棱镜组、第二偏振片组和N个光电接收器，其中：

所述第二凸透镜组包含N个第二凸透镜，所述第二凸透镜用于将各通道经过聚焦区域后发散的激光束进行再聚焦；

所述第二棱镜组位于所述第二凸透镜组之后，与所述第一棱镜组形成对称的反作用；所述第二棱镜组包含N个第二棱镜，所述第二棱镜用于将各通道中两束分离光束进行合并；

所述第二偏振片组包含N个第二偏振片，所述第二偏振片用于将合并后的光束进行混合，使混合后的光束能够进行相位干涉；

所述光电接收器设置在各通道末端光束焦点位置，用于将光强信息转换为电信号。

进一步地，所述分束镜的分束比取值范围为10:90～90:10。

进一步地，所述光学透镜为凹透镜或凸透镜。

进一步地，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜的焦距和尺寸均相同。

进一步地，同一通道中，所述光学透镜，第一凸透镜和第二凸透镜之间的位置关系符合成像定理。

进一步地，同一通道中，所述光学透镜，第一凸透镜和第二凸透镜之间的位置关系满足下式：

1/(L₁-f₁)+1/L₂＝1/f₂

L₃＝f₂

其中，L₁为光学透镜与第一凸透镜之间的距离，f₁为光学透镜的焦距(对于凸透镜，焦距为正；对于凹透镜，焦距为负)，(L₁-f₁)是第二凸透镜与光电接收器之间的距离，L₂为第一凸透镜与光束焦点之间的距离，也是第二凸透镜与光束焦点之间的距离，f₂为第一凸透镜的焦距，L₃为第一棱镜与第一凸透镜之间的距离，也是第二棱镜与第二凸透镜之间的距离。

进一步地，所述第一棱镜和所述第二棱镜为双折射棱镜，且具有相同的分光角。

进一步地，所述双折射棱镜为沃拉斯顿(Wollaston)棱镜或桑德森(Sanderson)棱镜。

进一步地，每个通道中，所述光学透镜、所述第一偏振片、所述第一棱镜、所述第一凸透镜、所述第二凸透镜、所述第二棱镜、所述第二偏振片和所述光电接收器在同一中轴线上，且该中轴线与该通道光路重合。

进一步地，通过调节各个通道的位置，可以分别将各通道的焦点移动到所关注的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的多通道聚焦激光差分干涉仪，通过利用分束镜组及对应的反射镜组将单个激光器发射出的单束激光分为多束激光，随后在多个测点聚焦，因此每次可以同时得到流场中多个测点的密度脉动信息，极大地减少实验次数，提高了风洞的试验效率，节约试验成本；

(2)本发明提供的多通道聚焦激光差分干涉仪，每个通道测试光束一致性好，由于本发明干涉仪可以得到多个测点在同一试验车次的密度脉动信息，再通过对不同测点实验数据进行相关性处理，可以分析各个测点的相关性，加深对流场结构时间相干性和空间相干性的理解。

附图说明

图1是本发明实施例的原理结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1中示出了多通道聚焦激光差分干涉仪的一个实例。为了能同时获取流场中多个测点的密度脉动数据，采用了本发明的一种具体实施方法，更具体地，是为了同时获取流场中四个测点的密度脉动数据，搭建了一台四通道的聚焦激光差分干涉仪。

所述四通道激光差分干涉仪中，激光器发射出的单束激光在分束镜组S和反射镜组M的共同作用下，被分成四束光强相等的平行激光束。

其中，分束镜组包括S₁，S₂和S₃。分束镜的分束比(反射光强：透射光强)均为50:50。根据通道数的不同，各分束镜的分束比可以在10：90～90：10范围内调整。

图中反射镜组M包括M₁，M₂和M₃。用于改变激光光束的方向，使各激光束的分别指向各个测点。

图中光学透镜组C₁包括四个相同焦距的凸透镜或者凹透镜。用于将各个通道的激光光束扩散成锥形光束。

图中偏振片组P₁包括四个相同的偏振片。用于滤除各个通道的光束中非线性偏振的干扰光线。

图中第一棱镜组W₁包括四个相同的Wollaston棱镜，用于根据双折射原理将各通道偏振光分别分为两束强度相同且偏振方向相互垂直的偏振光。可用Sanderson棱镜等其他双折射棱镜替代。

图中第一凸透镜组C₂包括四个相同的凸透镜，用于分别将每通道的两束偏振方向相互垂直的分离光束分别聚焦成两个分离的焦点。

图中聚焦区域A中将一共有四个焦点。通过调节各通道的位置，可以将各焦点分别移动到关注的测点位置。

图中第二凸透镜组C₃包括四个相同的凸透镜，其尺寸和焦距同第一凸透镜组C₂相同，用于将通过聚焦区域后的发散光束进行再聚合。

图中第二Wollaston棱镜组W₂包括四个相同的Wollaston棱镜，其规格与第一Wollaston棱镜组W₁相同，用于分别将每个通道中的两束具有一定分离角的激光束进行合并。与棱镜组W₁形成对称的反作用。可用Sanderson棱镜等其他双折射棱镜替代。

图中第二偏振片组P₂包括四个相同的偏振片，其作用是分别将每个通道中合并后的光束进行混合，使其能够进行相位干涉。

图中光电接受器组D包括四个相同的光电接收器，其作用是分别将每个通道的光强信号转化为电压信号。

实例中，光学透镜组C₁，第一凸透镜组C₂和第二凸透镜组C₃之间的位置关系符合成像定理：

其中，1/(L₁-f₁)+1/L₂＝1/f₂，L₃＝f₂，L₁为光学透镜组C₁与第一凸透镜组C₂之间的距离，(L₁-f₁)是第二凸透镜组C₃与光电接收器组D之间的距离，f₁为透镜C₁的焦距(对于凸透镜，焦距为正；对于凹透镜，焦距为负)，L₂为第一凸透镜组C₂与测点A之间的距离，也是第二凸透镜组C₃与测点A之间的距离，f₂为第一凸透镜组C₂的焦距，L₃为第一棱镜组W₁与第一凸透镜组C₂之间的距离，也是第二棱镜W₂与第二凸透镜C₃之间的距离。

通过合理选择上述组成多通道聚焦激光差分干涉仪的各元件，确保其参数合适，并调节各元件的位置和角度，可以将聚焦区域的各个焦点移到目标测点上，并在同一试验车次中，同时得到多个目标测点的密度脉动信息，极大提升了实验效率，并能够通过后处理进行相关性分析，得到更多的流场信息。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括发射光路和接收光路；所述发射光路包括：相干光源发生器、分束镜组(S)、反射镜组(M)、光学透镜组(C₁)、第一偏振片组(P₁)、第一棱镜组(W₁)和第一凸透镜组(C₂)，其中：

所述相干光源发生器用于发射一束相位相同且偏振方向一致的平行激光；

所述分束镜组(S)包括多个分束镜，用于将所述相干光源发生器发出的一束平行激光分为光强相等的N束平行激光，N等于通道数；

所述反射镜组(M)包括多个反射镜，用于改变所述平行激光的方向；

所述相干光源发生器发出的一束平行激光通过所述分束镜组(S)和所述反射镜组(M)后分为N束光强相等、方向相同的平行激光；每通道一束平行激光；

所述光学透镜组(C₁)包含N个光学透镜，所述光学透镜用于将各通道的平行激光束分别发散成为锥形激光束；

所述第一偏振片组(P₁)包含N个第一偏振片，所述第一偏振片用于滤除各通道锥形激光束中非线性偏振的干扰光线；

所述第一棱镜组(W₁)包含N个第一棱镜，所述第一棱镜用于根据双折射原理分别将各通道的线性偏振光分离为两束强度相同且偏振方向相互垂直的偏振光；

所述第一凸透镜组(C₂)包含N个第一凸透镜，所述第一凸透镜用于将各通道中两束偏振方向相互垂直的分离光束聚焦成两个分离的焦点，各通道两个分离的焦点处于聚焦区域(A)中；

所述接收光路包括第二凸透镜组(C₃)、第二棱镜组(W₂)、第二偏振片组(P₂)和N个光电接收器(D)，其中：

所述第二凸透镜组(C₃)包含N个第二凸透镜，所述第二凸透镜用于将各通道经过聚焦区域(A)后发散的激光束进行再聚焦；

所述第二棱镜组(W₂)位于所述第二凸透镜组(C₃)之后，与所述第一棱镜组(W₁)形成对称的反作用；所述第二棱镜组(W₂)包含N个第二棱镜，所述第二棱镜用于将各通道中两束分离光束进行合并；

所述第二偏振片组(P₂)包含N个第二偏振片，所述第二偏振片用于将合并后的光束进行混合，使混合后的光束能够进行相位干涉；

所述光电接收器(D)设置在各通道末端光束焦点位置，用于将光强信息转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述分束镜的分束比取值范围为10:90～90:10。

3.根据权利要求1所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述光学透镜为凹透镜或凸透镜。

4.根据权利要求1所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜的焦距和尺寸均相同。

5.根据权利要求1、3或4所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，同一通道中，所述光学透镜，第一凸透镜和第二凸透镜之间的位置关系符合成像定理。

6.根据权利要求5所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，同一通道中，所述光学透镜，第一凸透镜和第二凸透镜之间的位置关系满足下式：

1/(L₁-f₁)+1/L₂＝1/f₂

L₃＝f₂

其中，L₁为光学透镜与第一凸透镜之间的距离，f₁为光学透镜的焦距，(L₁-f₁)是第二凸透镜与光电接收器(D)之间的距离，L₂为第一凸透镜与光束焦点之间的距离，也是第二凸透镜与光束焦点之间的距离，f₂为第一凸透镜的焦距，L₃为第一棱镜与第一凸透镜之间的距离，也是第二棱镜与第二凸透镜之间的距离。

7.根据权利要求1或6所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述第一棱镜和所述第二棱镜为双折射棱镜，且具有相同的分光角。

8.根据权利要求7所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，所述双折射棱镜为沃拉斯顿棱镜或桑德森棱镜。

9.根据权利要求1所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，每个通道中，所述光学透镜、所述第一偏振片、所述第一棱镜、所述第一凸透镜、所述第二凸透镜、所述第二棱镜、所述第二偏振片和所述光电接收器(D)在同一中轴线上，且该中轴线与该通道光路重合。

10.根据权利要求1所述的一种多通道聚焦激光差分干涉仪，其特征在于，通过调节各个通道的位置，可以分别将各通道的焦点移动到所关注的位置。

Images