Устройство для измерения скорости потоков жидкости и газа Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 

Изобретение касается измерения скорости потоков газа, жидкости и твердых тел.

Целью изобретения является повышение чувствительности за c4teT формирования неустойчивого резонатора.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Оно состоит из лазера, образованного резонатором из двух зеркал 1, 2 активной среды 3, системы накачки 4. Зеркало 2 представляет собой сегмент эллипсоида вращения с фокусами 5 и 6, расположенными внутри и вне резонатора соответственно. Зеркало 1 плоское, расположенное на половине расстояния между фокусами 5 и 6 перпендикулярно фокальной оси, сопвдающей с оптической осью лазера и усилителя в целом. Приемно-передающая оптика представляет собой систему из фокусирующей линзы 7 с фокусом 8 и фрагмента сферического зеркала 9, выполненного в виде поверхности шарового слоя. Между линзой и сферическим зеркалом установлен пространственно-частотный фильтр 10, который представляет собой пластину с тверстиями для рассеянного света и установлен перпендикулярно фокальной (оптической) оси. Зг фильтром 10 размещен прерыватель 11 с

отверстиями по числу регистрируемых пучков света.

Положение фокуса сферического зеркала 9 совпадает с положением фокуса эллиптического зеркала 2, т.е. с фокусом, который находится вне резонатора. Для регистрации и обработки сигнала на выходе из резонатора лазера служит электронная система обработки сигнала, содержащая .фотоприемник 12, выход которого соединен с процессором 13. На пути усиливаемых пучков света размещены устройства сдвига частоты 14,15.

Устройство работает следующим образом.

После включения лазера (после начала генерации), образованного зеркалами 1 и 2, лазерный свет через зеркало 2 поступает на фотоприемник 12 и процессор 13 регистрирует невозмущенные спектрадьно-временные характеристики лазерного света, обусловленные, например, нестабильностью резонатора квантовцми шумами и т.п.

Свет из фокуса 8 линзы 7, пройдя пространственно-частотный фильтр 10, прерыватель 11 и устройство сдвига частоты 14, 15, параллельным пучком падает на сферическое зеркало 9. Свет, отражаясь от сферического зеркала, собирается в фокусе 6, т.к. фокус сферического зеркала совпадает с фокусом эллиптического зеркала. Но на пути пучка света на половине расстояния между двумя фокусами 5 и 6 перпендикулярно оси расположено плоскоезеркало 1, поэтому свет от сферического зеркала 9 отражается, и фокусируясь, проходит через фокус 5, который находится внутри резонатора. Легко проследить, что пучок света, попав в такой полуэллиптический резонатор, последовательно отражаясь то от плоского 1, то от эллиптического 2 зеркал, постоянно приближается к оптической оси до полного пространственного совпадения с оптической осью, а размер пучка приближается к размеру генерируемого пучка, определяемого дифракционным пределом.

Ортогональные компоненты вектора скорости определяются выражениями

. собЦ

V (

. 4б;пО(

2 51VI

где Я-длина волны излучения лазера;

f 1, f2, fa измеряемые частотные сдвиги регистрируемого излучения, определяемого соответственными векторами чувствительности;

а1, пересечения рассеянных

принимаемых пучков света;

угловое положение биссектрисы угла пересечения принимаемых рассеянных лучей, определяемых положением отверстий соответственно.

Для измерения частотного сдвига каждого рассеянного луча света используется прерыватель 11, пространственно совпадающий с положением отверстий. При этом

при вращении диафрагмы в лазерный резбнатор попадает только один регистрируемый луч. В соответствии с разностной частотой между лазерным излучением и регистрируемым лучом света происходит амплитудная модуляция внутрирезонаторного излучения, которая регистрируется фотоприемником и процессором (спектроанализатором), работающим в соответствующем спектральном диапазоне.

В случае режима насыщения активной

среды, т.е. при существующей нелинейности усиления активной среды возможна модуляция излучения, выходящего из лазерного резонатора на частотах регистрируемого излучения.

Таким образом, устройство позволяет существенно повысить чувствительность лазерных методов измерения параметров движения, уменьшить габаритные размеры,

использовать этот способ для исследования крупномасштабных потоков жидкости, газа и твердых тел, исследовать потоки газа и жидкости с использованием молекулярных механизмов рассеяния без введения дисперсной фазы (рассеивающих свет мелких частиц).

Формула изобретения Устройство для измерения скорости потоков жидкости и газа, содержащее лазер с

резонатором, одно из зеркал которого плоское, а другое имеет криволинейную отражающую поверхность, фотоприемник и электронную систему обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью

повышения чувствительности за счет формирования неустойчивого резонатора, оно дополнительно содержит прерыватель, пространственно-частотный фильтр, приемнопередающую оптику, включающую

фокусирующую линзу, расположенную вне резонатора соосно с ним со стороны плоского зеркала, и сферическое зеркало, расположенное со стороны зеркала резонатора, имеющего криволинейную отражающую поверхность, причем сферическое зеркало Приемной оптики выполнено в виде поверхности шарового слоя, а пространственночастотный фильтр выполнен в виде пластины с отверстиями, при этом зеркало резонатора, имеющее криволинейную отражающую поверхность, выполнено в виде поверхности сегмента зллипсоида вращения и расположено симметрично фокальной оси эллипсоида, имеет два фокуса, один из которых расположен внутри, а другой - вне резонатора, при этом плоское зеркало размещено между фокусами поверхности сегмента эллипсоида вращения на равном

расстоянии между ними и перпендикулярно фокальной оси, фокусирующая линза установлена перпендикулярно фокальной оси на расстоянии от плоского зеркала, превышающем половину межфокусного расстояния, а пространственно-частотный фильтр размещен между линзой и плоским зеркалом, причем фокус сферического зеркала совпадает с фокусом эллипсоида вращения,

0 находящегося вне резонатора лазера, а прерыватель установлен между пространственно-частотным фильтром и плоским зеркалом резонатора перпендикулярно оптической оси последнего.

5

Изобретение касается измерения скорости потоков газа, жидкости и твердых тел. Целью изобретения является повышение чувствительности за счет формирования неустойчивого резонатора. Это достигаетсянаправлением рассеянного излучения непосредственно в резонатор, минуя его зеркала 1 и 2. Для этого используется неустойчивый лазерный резонатор, конструкция которого состоит из двух зеркал 1 и 2, одно из которых представляет собой сегмент эллипсоида ращения, а другое плоское, которое установлено на половине расстояния между фокусами 5 и 6 эллипсоида вращения перпендикулярно его фокальной оси. Пространство между зеркалами заполнено инвертированной активной средой. Приемно-передающая оптика, пространственно-частотный фильтр 10, прерыватель 11 и электронная система обработки данных позволяют измерять три компоненты вектора скорости. Приводятся соотношения для определения ортогональных компонент вектора скорости. Параметры движения исследуемых объектов определяются из анализа амплитудно-частотных характеристик лазерного излучения. 1 ил.•^^