СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ПОПЕРЕЧНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ПОТОКА АКТИВНОЙ СМЕСИ CO-ЛАЗЕРА С БЫСТРОЙ АКСИАЛЬНОЙ ПРОКАЧКОЙ ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК G01N21/85 G01P3/36 

Область техники

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной техники.

Уровень техники

Известен способ бесконтактного измерения турбулентных пульсаций скорости потока газа, в котором используется доплеровская анемометрия, описанный, например, в [1-3]. Недостатком данного способа является необходимость вводить в поток газа мелкие частицы, через которые, измеряя рассеянное ими лазерное излучение, определяется доплеровским методом скорость и, соответственно, ее пульсации.

Использование подобных частиц в потоке активной лазерной среды вызывает отрицательные последствия, потому что эти частицы оказывают влияние на характеристики газового разряда, понижая его устойчивость.

Недостатки способа доплеровской анемометрии при его использовании для измерения турбулентных пульсаций потока активной лазерной среды усиливаются с ростом мощности технологических CO₂-лазеров с быстрой аксиальной прокачкой.

Известен также способ дистанционного измерения пульсаций скорости потока активной лазерной среды, в котором регистрируется оптический сигнал, отраженный от достаточно тонкой фольги, помещенной в газоразрядную камеру быстропроточного лазера. Этот способ описан в статье [4]. Недостатком данного способа является то, что помещаемая в поток фольга, играющая роль мембраны, вносит возмущения в движение потока и тем самым понижает точность измерения пульсаций скорости потока.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий к предлагаемому способ, описанный в [4].

Целью предлагаемого изобретения является увеличение точности измерения пульсаций скорости потока активной лазерной среды СО₂-лазера.

Существенным признаком, общим с прототипом, является измерение скорости потока по результатам регистрации и обработки светового сигнала, который несет информацию о пульсации скорости потока активной лазерной среды CO₂-лазера.

Сущность изобретения

Цель достигается тем, что в объеме активной среды формируются динамические амплитудные решетки, рассеянное излучение от которых регистрируется приемником. В этих условиях не оказывается влияние на параметры разряда и на скорость потока, и поэтому повышается точность измерения пульсаций скорости потока.

На фиг.1 приведена схема выполнения способа.

Предлагаемый способ состоит в следующем. Лазерный пучок формируется в потоке активной лазерной среды в объеме устойчивого одномодового резонатора. Часть выходного лазерного пучка направляется вовнутрь резонатора. В областях их пересечения возникает интерференция, вследствие которой образуются амплитудные решетки на нелинейности коэффициента усиления. Одна из волн резонатора испытывает брэгговское отражение от этой решетки, образуя тем самым отраженный сигнал, пропорциональный амплитуде решетки.

Таким образом, реализуется внутрирезонаторное четырехволновое смешение (ВЧВС). Интенсивность отраженного от амплитудных решеток излучения регистрируется приемником и обрабатывается электронно-компьютерной системой регистрации. Турбулентные пульсации скорости потока ослабляют амплитудные решетки, вследствие этого эти пульсации отражаются в пульсациях регистрируемого приемником отраженного от решетки излучения.

Принципиальная оптическая схема устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым способом, показана на фиг.2. В устойчивом резонаторе, образованном сферическим зеркалом 1 и плоским зеркалом 2 при интерференции двух волн I₁ и I₃, в активной среде образуется периодическая решетка коэффициента усиления. Встречная волна I₂ испытывает брэгговское отражение на этой решетке. В результате появляется излучение I₄, фазовосопряженное (с обращенным волновым фронтом) по отношению к волне I₃. Относительные пульсации коэффициента отражения R=I₄/I₃ определяются как:

где , λ - длина волны излучения (λ=10,6 мкм), Θ - угол между направлениями распространения волн I₁ и I₃, причем Θ≪1, τ₂ - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня, I=I₁+I₂, D - коэффициент обычной диффузии молекул СО₂ в лазерной смеси CO₂:N₂:He. I_S - интенсивность насыщения среды, - вектор скорости потока, - вектор амплитудной решетки.

Формула (1) получена авторами как результат анализа процесса внутрирезонаторного четырехволнового смешения в потоке собственной активной среды. Поскольку интенсивность обращенной волны I₄ зависит от составляющей скорости потока, перпендикулярной направлению решетки, то перпендикулярные пульсации ее величины передаются пульсациям измеряемой величины I₄. Это позволяет по измеряемым временным и, соответственно, частотным характеристикам излучения I₄ определять из (1) соответствующие турбулентные параметры скорости потока. Учитывая, что в случае CO₂-лазеров с БАПГ τ₂Dq²≫1+I/I_S и , абсолютные пульсации квадрата поперечной составляющей скорости прокачки активной смеси определяются как:

Перечень фигур чертежей

Фиг.1. Экспериментальная схема

1 - ИК-датчик; 2 - диафрагма; 3 - прерыватель; 4 - Ge-пластина; 5 - KCl-клин; 6 - ловушка; 7 - зеркала; 8 - He-Ne laser; 9 - Zn-Se пластина; 10 - Zn-Se пластина; 11 - CO₂-лазер с БАПГ; 12 - зеркало (R=5 м), Θ - угол между I₃ и I₁.

Фиг.2. Принципиальная схема ВЧВС

I₁, I₂ - встречные волны одномодового резонатора;

I₃ - пробный пучок;

- угол между I₁, I₂;

α - решетка коэффициента усиления;

I₄ - пучок, сопряженный I₃.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Авторами была испытана установка, позволяющая осуществить предлагаемый способ. Схема установки изображена на фиг.1.

В качестве исследуемой среды была выбрана активная среда CO₂-лазера с БАПГ ТЛА-1200, разработанного в ИПЛИТ РАН.

В качестве приемников - фоторезисторы ФСГ-22-ЗА2, охлаждаемые жидким азотом.

Аналого-цифровой преобразователь - типа L-1250.

Компьютер - типа Pentium MMX200.

Библиографические данные

1. B.C.Ринкевичюс. Лазерная анемометрия - М.: Энергия, 1976.

2. Ю.Н.Дубнищев, Б.С.Ринкевичюс. Методы лазерной доплеровской анемометрии./С предисл. В.А.Фабриканта. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 304 с.

3. Б.С.Ринкевичюс. Лазерная диагностика потока - М.: Издательство МЭИ, 1990.

4. Г.В.Гембаржевский, Н.А.Генералов, Н.Г.Соловьев. Исследование спектра пульсаций скорости вихревого течения колебательно-возбужденного молекулярного газа в тлеющем разряде // Изв. РАН. МЖГ. 2000. №2. С.81-91.

Способ определения турбулентных пульсаций d(v²) поперечной составляющей скорости потока активной смеси СО₂-лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа включает регистрацию и обработку оптического сигнала, несущего информацию о пульсации скорости потока активной лазерной среды СО₂-лазера. При этом регистрируют относительные пульсации обращенной волны, возникающей при внутрирезонансном четырехволновом смешении на нелинейности коэффициента активной среды лазера, и определяют d(v²) по предлагаемой формуле. Технический результат - повышении точности измерения пульсаций скорости потока активной лазерной среды СО₂-лазера. 2 ил.

Способ определения турбулентных пульсаций d(v²) поперечной составляющей скорости потока активной смеси СО₂-лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа, включающий регистрацию и обработку оптического сигнала, несущего информацию о пульсации скорости потока активной лазерной среды СО₂-лазера, отличающийся тем, что регистрируют относительные пульсации обращенной волны, возникающей при внутрирезонансном четырехволновом смешении на нелинейности коэффициента активной среды лазера, и определяют d(v²) по формуле

где I - интенсивность лазерного излучения;

I_S - интенсивность насыщения среды;

τ₂ - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня;

D - коэффициент обычной диффузии молекул СО₂;

q - волновое число амплитудной решетки;

dR/R - относительные пульсации коэффициента отражения R=I₄/I₃;

I₄ - интенсивность обращенной волны;

I₃ - интенсивность пробного пучка.