實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)6

第6章激光測(cè)速技術(shù)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)§

6.1激光測(cè)速原理§

6.2雙光束激光測(cè)速系統(tǒng)§

6.3多速度分量系統(tǒng)§

6.4光檢測(cè)器§

6.5散射粒子§

6.6信號(hào)處理器激光多普勒測(cè)速儀（LaserDopplerVelocimetry）fiberlightLaserbeamPDMOPRorEncodersignalTempPressureEICFiberprobeFSA激光多普勒測(cè)速儀（LaserDopplerVelocimetry）

激光測(cè)速儀通過(guò)檢測(cè)從一個(gè)移動(dòng)物體散射的光的多普勒頻移來(lái)測(cè)量物體的速度。Laser：譯成“激光”，字面原意“受激輻射光放大器”。移動(dòng)物體——播撒于流動(dòng)中的微粒照射光——發(fā)自激光器的激光束參考:郁道銀，談恒英，《工程光學(xué)》1999，北京：機(jī)械工業(yè)出版社?！?.1激光測(cè)速原理激光特性：方向性好；亮度高；單色性好；相干性好。一.激光與激光器：（一）光子的發(fā)射和吸收：原子的能量狀態(tài)是量子化的（量子態(tài)）。原子從高能級(jí)自發(fā)向低能級(jí)躍遷的發(fā)光過(guò)程稱為自發(fā)輻射。兩能級(jí)之間的能量差

上式中h為普朗克常數(shù)，f為輻射光頻率。輻射光的能量為：處于高能級(jí)Em態(tài)的原子也會(huì)在光激發(fā)下躍遷到低能級(jí)的En態(tài)，并輻射出與入射光波的相位、偏振、頻率以及傳播方向相同的光波。稱為受激輻射。基態(tài)：能量最低的量子態(tài)激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的量子態(tài)躍遷：原子在不同量子態(tài)間變化的過(guò)程(1)加熱：(2)輻射：金屬蒸氣加熱，高能級(jí)原子數(shù)迅速增加。它們向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)光（受激發(fā)射）。1.激發(fā)方式：外來(lái)光子能量等于原子的激發(fā)能時(shí)，處在基態(tài)的原子就能在外來(lái)光子的激勵(lì)下吸收外來(lái)光子能量而被激發(fā)到高能態(tài)（受激吸收）。(3)碰撞：從陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在電場(chǎng)作用下獲得動(dòng)能。具有很大動(dòng)能的電子與處在基態(tài)的原子碰撞時(shí)把能量傳遞給原子，使原子激發(fā)到高能級(jí)。

（比如氫燈、汞燈、鈉光燈一類氣體放電光源）2.共振和熒光：由于受激吸收而躍遷到高能態(tài)的原子返回基態(tài)時(shí)發(fā)光。（1）共振輻射：

直接回到基態(tài)這時(shí)，輻射光子的頻率與吸收的光子頻率相同。（2）熒光：通過(guò)中間能級(jí)回到基態(tài)這時(shí)如果發(fā)射光子，頻率必定比吸收的光子頻率低。共振輻射發(fā)生時(shí)，基態(tài)原子通過(guò)跟另一個(gè)激發(fā)態(tài)原子碰撞躍遷到激發(fā)態(tài)，而另一個(gè)原子則同時(shí)回到基態(tài)。例：253.6nm紫外光照射水銀蒸氣觀察到共振輻射光譜。若在水銀蒸氣里摻入鉈蒸氣，則共振輻射減弱，出現(xiàn)鉈蒸氣特有的綠光。這是由于水銀原子吸收了253.6nm的紫外光子躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們跟基態(tài)鉈原子碰撞時(shí)，就把激發(fā)能傳遞給鉈原子，使鉈原子激發(fā)，而水銀原子則回到基態(tài)。因此水銀的共振輻射減弱，而獲得激發(fā)能的鉈原子回到基態(tài)時(shí)就發(fā)出綠光來(lái)。3.光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射：自發(fā)發(fā)射：高能級(jí)原子回到低能態(tài)發(fā)光釋放能量。為非相干自然光，其輻射方向和相位可能都不一致。兩種原子互相轉(zhuǎn)移激發(fā)能的過(guò)程叫做共振轉(zhuǎn)移。激發(fā)能值越接近，共振轉(zhuǎn)移的效率越高。比如，氦氖激光器利用共振轉(zhuǎn)移使Ne原子激發(fā)。

(2)受激吸收：低能級(jí)原子吸收光子進(jìn)到高能態(tài)。(3)受激發(fā)射：光子作用于高能級(jí)原子產(chǎn)生受激發(fā)射。受激發(fā)射光子與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同，完全相干。受激發(fā)射是光放大的過(guò)程。（二）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：熱平衡條件下：（1）自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位。（2）受激吸收能量大于受激發(fā)射能量。兩個(gè)過(guò)程幾率相等，但低能級(jí)原子數(shù)目多而高能級(jí)原子數(shù)目少。在熱平衡條件下，不同能級(jí)原子數(shù)遵循玻耳茲曼分布律：

上式表明，熱平衡時(shí)處于高能級(jí)上的原子數(shù)目遠(yuǎn)少于低能級(jí)上的原子數(shù)目。

為了使受激發(fā)射占優(yōu)勢(shì)，必須使高能級(jí)上的原子數(shù)目多于低能級(jí)上的原子數(shù)目。

為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須：1.由外界向物質(zhì)供給能量，使物質(zhì)處于非平衡態(tài)。2.同時(shí)有三個(gè)能級(jí)存在。1.把低能級(jí)的原子激發(fā)到高能級(jí)（泵浦）。（三）激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過(guò)程：對(duì)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)由于受激發(fā)射大于受激吸收，光場(chǎng)被加強(qiáng)。即一定頻率的單色光通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)后，光比入射時(shí)更強(qiáng)了，也可以說(shuō)光被放大了?？梢妼?shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）可以作為激光放大器。要產(chǎn)生激光還必須要有激光振蕩器即光學(xué)諧振腔。激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過(guò)程如下：2.不穩(wěn)定的高能級(jí)原子下降到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，造成亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與基態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（發(fā)光或放熱）。3.亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上的原子躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射出各個(gè)方向的光子。4.諧振腔選擇出沿腔軸線方向傳播的光子，反饋刺激亞穩(wěn)態(tài)原子，受激發(fā)射成倍增加的光子。產(chǎn)生“雪崩”放大效果。（諧振腔：一對(duì)光學(xué)反射鏡作端面的腔體）5.激光束從腔的端面射出。激光器由三部分組成：1.泵浦源

——實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.工作物質(zhì)

——能級(jí)結(jié)構(gòu)決定激光頻率。（固體、氣體、半導(dǎo)體等激光器）3.諧振腔（光學(xué)反饋器）

——光放大產(chǎn)生激光。實(shí)現(xiàn)這種過(guò)程的光學(xué)裝置就是激光器。（Maiman，1960）第一臺(tái)紅寶石激光器按激光器的工作介質(zhì)分：按激光器的工作方式分：氣體激光器；固體激光器；半導(dǎo)體激光器；液體激光器。連續(xù)激光器；脈沖激光器。（四）激光器的類型：固體激光器的特點(diǎn)：

氣體激光器的特點(diǎn)：光激勵(lì)，能量效率低；常用脈沖方式及冷卻，功率大；激光的相干性較差。電激發(fā)，效率高；常用連續(xù)方式，頻率穩(wěn)定；激光相干性好（常用于精密測(cè)量，全息照相等）。氣體激光器的典型結(jié)構(gòu)M1、M2-反射鏡；A-陽(yáng)極；K一陰極；D-放電管；T-套管；G-毛細(xì)管；B-布儒斯特窗。

He-Ne激光器

氣體激光器的一般結(jié)構(gòu)：固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu)紅寶石激光器諧振腔：棒狀基質(zhì)晶體端面拋光鍍反射膜光源：氙燈或高壓水銀燈，發(fā)光連續(xù)或脈沖式固體激光器的一般結(jié)構(gòu)：聲學(xué)多普勒效應(yīng)——19世紀(jì)德國(guó)物理學(xué)家多普勒

平面波矢sl波數(shù)k=2/頻率0波長(zhǎng)

激光測(cè)速原理：利用小粒子散射光的多普勒頻移反映粒子的移動(dòng)速度。二.小粒子散射的多普勒頻移：多普勒現(xiàn)象：按相對(duì)論原理，有：粒子接收的光波頻率（粒子遠(yuǎn)離光源時(shí)）：接收器接收的散射光頻率（粒子接近接收器時(shí)）：C為光速。多普勒全頻移與粒子速度在兩個(gè)方向的投影有關(guān)：

1.粒子在入射波sl方向遠(yuǎn)離光源的速度分量；

2.粒子朝著r處觀察者的速度分量。由光源、粒子和檢測(cè)器三者相對(duì)位置可確定速度在波矢方向的投影。(

為單位方向矢）直接光檢測(cè)只能用于高速流動(dòng)（否則會(huì)因頻移太小而無(wú)法檢測(cè)）。一般激光多普勒測(cè)速?gòu)娜l率中減去入射光頻率，留下在多普勒頻率上振蕩的信號(hào)，這種技術(shù)稱為光外差檢測(cè)或光混頻。三.光外差檢測(cè)：

激光測(cè)速儀通過(guò)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)粒子的散射頻移來(lái)測(cè)量粒子的速度。激光測(cè)速系統(tǒng)：多普勒效應(yīng)加光外差檢測(cè)技術(shù)四.激光測(cè)速光學(xué)布置的基本模式：激光多普勒測(cè)速儀（又稱LDV）的基本組成：空氣或水冷激光器集成發(fā)射光學(xué)組光纖光學(xué)探頭集成接收送光學(xué)組/電子器件組信號(hào)處理器采集/分析窗口（一）.現(xiàn)代光纖光路LDV系統(tǒng)組件：氦氖激光器：波長(zhǎng)633nm紅色激光；輸出功率15mw-40mw；

價(jià)廉，使用方便。氬離子激光器：波長(zhǎng)514.5nm綠光、488nm藍(lán)光和

476.5nm紫光；風(fēng)冷300mw，水冷2w-6w；

波長(zhǎng)穩(wěn)定，價(jià)高，功耗大。1.激光器：氬離子（Ar+）激光器的結(jié)構(gòu)示意圖：多線模式單線模式70系列氬離子（Ar+）激光器分色分束系統(tǒng)：將激光器發(fā)射出來(lái)的一束光分離成一對(duì)、二對(duì)或三對(duì)單色光束。光學(xué)部件：各對(duì)光束焦點(diǎn)相交在同一測(cè)量“點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)一維、二維或三維速度的測(cè)量。光纖傳輸器件：使發(fā)射光路緊湊而又靈活。2.發(fā)射光路系統(tǒng)：3.接收光路系統(tǒng)：其作用是跟隨粒子散射光的接收、分色和光電轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：前向接收方式則光散射信號(hào)強(qiáng)；而后向接收方式則較為方便。接收方式：前向接收；后向接收；側(cè)向接收。4.信號(hào)處理器：要求從噪聲中分離并精確測(cè)量多普勒頻率。（具有準(zhǔn)確性、近壁測(cè)量的能力和一定的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍）信號(hào)處理器分為：頻率跟蹤型信號(hào)處理器和計(jì)數(shù)型信號(hào)處理器等。LDV系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。5.數(shù)據(jù)處理：（二）.激光多普勒測(cè)速儀光學(xué)系統(tǒng)模式：1.雙光束模式：0102ui雙光束系統(tǒng)用大口徑收集光欄產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)。0102ui在散射方向，光波的頻率為：0102ui反映出速度分量ui的方位以及大小。速度分量ui位于入射光束平面，并且垂直于入射光束夾角2

的角平分線。

2.參考光模式：若將r選為與s2相同方向，則：同樣可測(cè)出速度分量ui的方位以及大小。3.雙散射模式：混頻頻率為：同樣可測(cè)出速度分量ui的方位以及大小。單色光，同方向線偏振在相交處的位相差不變，在相交處振幅接近時(shí)干涉現(xiàn)象較明顯。如圖為兩束光波的干涉條紋。（三）.兩束光波干涉的條件：從分束到相交點(diǎn)的光程差影響干涉效果?！?.2雙光束激光測(cè)速系統(tǒng)一.實(shí)用的雙光束光學(xué)系統(tǒng)：高度平行光的氣體激光器光束經(jīng)過(guò)分光器后成為兩束強(qiáng)度相等的平行光。二.雙光束光學(xué)系統(tǒng)工作方式：將兩束平行光通過(guò)高質(zhì)量聚焦透鏡匯聚于聚焦平面，形成相交的小光斑。測(cè)量體：兩平行光束通過(guò)聚焦透鏡相交于焦平面進(jìn)行測(cè)量的空間區(qū)域就是光束交匯處，稱為測(cè)量體。激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體。激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體LDV測(cè)量體兩束入射光的散射光產(chǎn)生外差信號(hào)。

粒子以速度u垂直于條紋穿過(guò)測(cè)量體時(shí)，向任意方向產(chǎn)生散射光信號(hào)。光電接收器接收散射光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成多普勒波群信號(hào)。

如圖，接收透鏡中心對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光軸，稱為共軸。如圖，收光光欄接收的散射光是入射光向前散射的，稱為前向散射。若收光光欄接收的散射光是入射光向后散射的，則稱為后向散射。共軸前向散射系統(tǒng)：§6.3多速度分量系統(tǒng)將兩個(gè)或三個(gè)單分量測(cè)速系統(tǒng)組合可以同時(shí)測(cè)量速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)分量。一.二分量激光測(cè)速系統(tǒng)：1.雙色系統(tǒng)：將激光器發(fā)出的兩種不同顏色的激光經(jīng)過(guò)分光、聚焦形成兩個(gè)互相垂直的雙光束系統(tǒng)，可用于測(cè)量速度矢量的兩個(gè)分量。2.雙偏振系統(tǒng)：3.雙頻率系統(tǒng)：一種偏振系統(tǒng)是用兩對(duì)照射光束交叉偏振，將散射光通過(guò)一個(gè)偏振立方柱或類似裝置使信號(hào)分離；另一種偏振系統(tǒng)則是布置一束光的偏振方向具有其它兩束光偏振方向的矢量分量，形成三束光偏振系統(tǒng)。雙偏振系統(tǒng)可用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)速度分量。二分量激光測(cè)速系統(tǒng)：3DLDVSystem三分量同軸檢測(cè)三色布置：GBBVG/VBGG/VVBTransmittinglens用幾個(gè)單分量系統(tǒng)測(cè)量速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)分量時(shí)，若每個(gè)單分量系統(tǒng)都采用用雙光束方法測(cè)流速。則，除了二個(gè)基本的入射光束外還要為每一個(gè)增加的速度分量提供至少一束增加的入射光。這樣就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，就是需要鑒別來(lái)自每一對(duì)光束的信號(hào)。對(duì)這些信號(hào)分別加以處理，并輸出。這當(dāng)然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

§6.4光檢測(cè)器一.光檢測(cè)器的作用：光檢測(cè)器檢測(cè)投射到檢測(cè)器上的光能總通量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到處理器。光檢測(cè)器信號(hào)是一系列多普勒頻率正弦波的隨機(jī)短脈沖群，它們是由