風(fēng)速校準(zhǔn)中激光多普勒測速儀激光器的選擇

于志強(qiáng)　楊偉浩　沈　浩　張　宇　劉　悅 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

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風(fēng)速校準(zhǔn)中激光多普勒測速儀激光器的選擇

于志強(qiáng)楊偉浩沈浩張宇劉悅 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0　引言

激光多普勒測速儀（以下簡稱LDV）是測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號[1]，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。LDV是目前世界上測速準(zhǔn)確度最高的在線實(shí)時測速儀器。由于是激光測量，測速范圍寬，而且多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，與該點(diǎn)的溫度、壓力無關(guān)，其還具有非接觸測量、不干擾流場的特點(diǎn)，因此LDV系統(tǒng)極其適合速度儀器校準(zhǔn)。

LDA系統(tǒng)包括電路和光路兩部分。光路部分包括激光器、探頭、接收光纖、透鏡組，如圖1所示。電路部分包括：光電倍增管、信號處理器和配套軟件等。光路部分的主要功能是形成激光測量體，電路部分的主要功能是將示蹤粒子產(chǎn)生的多普勒頻率檢測出來，并轉(zhuǎn)換成速度信息。

圖1　雙束光LDV的光路

LDV系統(tǒng)計(jì)算速度公式：

式中：v —— 測得的質(zhì)點(diǎn)（示綜粒子）速度，m/s；

f —— 多普勒頻率；

λ —— 波長，μm；

α —— 兩束激光的夾角

從公式可以看出，LDV系統(tǒng)不確定度的影響因素主要包括干涉條紋間距、激光器的波長、光學(xué)系統(tǒng)、電路檢測多普勒頻率的準(zhǔn)確性。

與電路系統(tǒng)相比，影響系統(tǒng)不確定度的主要因素在激光器部分。干涉條紋的間距準(zhǔn)確數(shù)值和穩(wěn)定程度是一個最主要影響因素，而干涉條紋的間距和激光器有著直接的關(guān)系。經(jīng)過對目前市場上各種類型激光器的分析，結(jié)合風(fēng)速校準(zhǔn)實(shí)際情況，找出在LDA系統(tǒng)中不同類型激光器的特點(diǎn)。

1　激光器的分類及特點(diǎn)

按照工作物質(zhì)，激光器分為以下幾類。

1.1氣體激光器

氣體激光器是以氣體作為工作物質(zhì)的激光器。與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出光束的質(zhì)量好，因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學(xué)研究中都有廣泛的應(yīng)用。

氣體的光學(xué)均勻性好，輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，輸出的能量密度一般比固體激光器小。

氣體激光器的缺點(diǎn)是輸出功率較小，維護(hù)費(fèi)用高，不適用于日常實(shí)驗(yàn)。

1.2固體激光器

固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器，它發(fā)展早，功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛[3]。

早期的紅寶石激光器采用普通光源作為激發(fā)源?，F(xiàn)今生產(chǎn)的紅寶石激光器已經(jīng)開發(fā)出許多新產(chǎn)品，種類也增多。固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器，它的工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹，是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅應(yīng)用在軍事上，也可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

固體激光器的主要問題：

1）溫度效應(yīng)嚴(yán)重，發(fā)熱量大。正是由于輸出能量大，峰值功率高，導(dǎo)致熱效應(yīng)非常明顯，因此固體激光器不得不配置冷卻系統(tǒng)，才能保證固體激光器的正常連續(xù)使用。

2）轉(zhuǎn)換效率相對較低。固體激光器的總體效率非常低，例如紅寶石激光器為0.5%~1%左右，YAG激光器為1%~2%，在最好的情況下可接近3%?？梢姽腆w激光器的效率提高還有很大的空間。

1.3液體激光器

液體激光器也稱染料激光器。這類激光器的激活物質(zhì)是某些有機(jī)染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。輸出激光波長可調(diào)諧，某些染料激光波長可調(diào)寬度達(dá)上百毫微米。液體激光器發(fā)出的激光對于光譜分析、激光化學(xué)和其他科學(xué)研究具有重要意義。

1.4其他激光器

半導(dǎo)體激光器：是以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器，具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜以及可以高速工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。它是目前光通信領(lǐng)域內(nèi)使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放機(jī)、計(jì)算機(jī)光盤驅(qū)動器、激光打印機(jī)、全息照相、激光準(zhǔn)直、測距及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應(yīng)用。

自由電子激光器：工作物質(zhì)是自由電子束。利用電子加速器輸出的激光波長可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧的原理，原則上可從厘米波一直調(diào)諧到真空紫外，可以獲得極高的光功率輸出。該類激光器將在激光分離同位素、激光核聚變、光化學(xué)、激光光譜和激光武器等方面有重大應(yīng)用前景。目前，自由電子激光器仍處于試驗(yàn)階段。

化學(xué)激光器：將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光，輸出的激光波長豐富，并具有高功率、高能量激光輸出的特點(diǎn)[4]。

從20世紀(jì)60年代起，應(yīng)用于LDA系統(tǒng)的激光源隨著激光器技術(shù)的發(fā)展也一直在進(jìn)步過程中。從He-Ne氣體激光器到寶石類固體激光器，再到Ar離子氣體激光器，發(fā)展到二極管泵浦固體激光器。下面對這幾類激光器的性能特點(diǎn)作些探討。

He-Ne氣體激光器最早應(yīng)用在速度校準(zhǔn)LDA系統(tǒng)中。因?yàn)樗墓馐|(zhì)量、長期穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于當(dāng)時其他類型的激光器，而且其性價比高。He-Ne氣體激光器在波長單色性、光斑質(zhì)量、方向性和能量穩(wěn)定性方面都非常突出。在德國PTB，該類型的速度校準(zhǔn)LDA系統(tǒng)在使用超過10 a以后，其測量不確定度還可以保持在0.2%之內(nèi)。不過He-Ne激光器有兩個缺點(diǎn)：能量輸出低，波長單一。能量輸出低導(dǎo)致其LDA系統(tǒng)的工作距離受限制，一般小于400 mm；波長單一導(dǎo)致其LDA系統(tǒng)只能應(yīng)用于一維LDA系統(tǒng)，無法同時測量二維和三維速度。

為解決能量輸出這個問題，在20世紀(jì)70年代，開始有紅寶石類固體激光器應(yīng)用在LDA系統(tǒng)。寶石類固體激光器具有能量輸出高的特點(diǎn)，但是其波長穩(wěn)定度不如He-Ne氣體激光器，價格也較高，因此，很少有該類型的LDA系統(tǒng)應(yīng)用于速度校準(zhǔn)。

2　風(fēng)速校準(zhǔn)中激光器的選擇

本項(xiàng)目中選用的激光器是二極管泵浦固體激光（Diode Pump Solid State Laser，即DPSSL）。DPSSL是近年來國際上發(fā)展最快、應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進(jìn)行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代激光器。由于DPSSL中存在多次能量的轉(zhuǎn)換，可獲得高的總體效率（固體激光的輸出效率與加在半導(dǎo)體激光器上的電功率之比）。一般來說，半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上（理論極限為75%~78%），這比燈泵浦固體激光器高一個數(shù)量級。

DPSSL具有體積小、激光光斑質(zhì)量穩(wěn)定、可多個波長輸出等特點(diǎn)，克服了早期固體激光器溫度影響大的缺點(diǎn)，項(xiàng)目組認(rèn)為DPSSL是目前最適合LDA系統(tǒng)風(fēng)速校準(zhǔn)的激光器。采用DPSSL的LDA系統(tǒng)體積較小，激光器可以直接安裝在探頭內(nèi)，減少了分光器、光纖耦合器等影響因素；同時轉(zhuǎn)換效率高，無需專門的冷卻系統(tǒng)；可輸出多個波長，同樣適合二維和三維LDA系統(tǒng)。目前，世界上測速準(zhǔn)確度最高的速度校準(zhǔn)LDA系統(tǒng)由德國ILA公司生產(chǎn)，其測量不確定度可達(dá)0.003%。德國PTB就是采用二極管泵浦固體激光器。

DPSSL與其他LDA激光器相比，主要有以下幾個特點(diǎn)：

1）工作時間長，傳統(tǒng)的氪燈或氙燈壽命只有幾百小時，最長的不超過2 000 h，而用于泵浦的二極管激光器壽命高達(dá)上萬小時，從而大大降低了維護(hù)成本。

2）多個波長可供選擇，以適合不同風(fēng)速段的速度測量。

3）激光器的穩(wěn)定度高，包括波長、光斑模式、相干性、光束方向、能量輸出等，這是影響干涉條紋質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性的最主要因素。

4）低功耗，轉(zhuǎn)換效率高。傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，泵浦燈發(fā)出的能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成極大的能源浪費(fèi)。而DPSSL發(fā)出固定的、被激光晶體吸收的808 nm波長激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40%以上，大大降低了運(yùn)行成本。

5）激光器的尺寸小，易于搬運(yùn)，便于小型化設(shè)計(jì)。一臺DPSSL激光器大約只有傳統(tǒng)燈泵浦激光器體積的1/3甚至更小，便于攜帶。

6）操作步驟簡便可靠，適用各非標(biāo)數(shù)據(jù)段。

3　結(jié)語

目前選用的二極管泵浦固體激光器滿足實(shí)驗(yàn)室日常測試，具有工作時間長，能耗低，穩(wěn)定性高，尺寸小、易于在試驗(yàn)空間內(nèi)騰挪，維護(hù)成本低等特點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了其他激光器選型中的不足，滿足了基于激光多普勒效應(yīng)的風(fēng)速校準(zhǔn)試驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] B M 瓦切西威克茲，M J 魯?shù)?激光多普勒測量，1版[M].徐枋同譯.北京：水利出版社，1980.

[2] 呂宏詩，劉彬.激光多普勒測振技術(shù)的最新進(jìn)展[J].激光技術(shù)，2005，29（2）：176-179.

[3] 洪昕，張海翔，蔣誠志，等.激光多普勒測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空計(jì)測技術(shù)，1998，18（3）：3-5.

[4] 陳衛(wèi)標(biāo)，周軍，劉繼橋，等.多普勒激光雷達(dá)及其單縱模全固態(tài)激光器[J].紅外與激光工程，2008，37(1)：57-60.