风速校准中激光多普勒测速仪激光器的选择

2016-08-03于志强杨伟浩上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2016年1期

于志强　杨伟浩　沈　浩　张　宇　刘　悦 / 上海市计量测试技术研究院

风速校准中激光多普勒测速仪激光器的选择

于志强杨伟浩沈浩张宇刘悦 / 上海市计量测试技术研究院

0　引言

激光多普勒测速仪（以下简称LDV）是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号[1]，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。LDV是目前世界上测速准确度最高的在线实时测速仪器。由于是激光测量，测速范围宽，而且多普勒频率与速度是线性关系，与该点的温度、压力无关，其还具有非接触测量、不干扰流场的特点，因此LDV系统极其适合速度仪器校准。

LDA系统包括电路和光路两部分。光路部分包括激光器、探头、接收光纤、透镜组，如图1所示。电路部分包括：光电倍增管、信号处理器和配套软件等。光路部分的主要功能是形成激光测量体，电路部分的主要功能是将示踪粒子产生的多普勒频率检测出来，并转换成速度信息。

图1　双束光LDV的光路

LDV系统计算速度公式：

式中：v —— 测得的质点（示综粒子）速度，m/s；

f —— 多普勒频率；

λ —— 波长，μm；

α —— 两束激光的夹角

从公式可以看出，LDV系统不确定度的影响因素主要包括干涉条纹间距、激光器的波长、光学系统、电路检测多普勒频率的准确性。

与电路系统相比，影响系统不确定度的主要因素在激光器部分。干涉条纹的间距准确数值和稳定程度是一个最主要影响因素，而干涉条纹的间距和激光器有着直接的关系。经过对目前市场上各种类型激光器的分析，结合风速校准实际情况，找出在LDA系统中不同类型激光器的特点。

1　激光器的分类及特点

按照工作物质，激光器分为以下几类。

1.1气体激光器

气体激光器是以气体作为工作物质的激光器。与其他种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点是输出光束的质量好，因此，在工农业生产、国防和科学研究中都有广泛的应用。

气体的光学均匀性好，输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，输出的能量密度一般比固体激光器小。

气体激光器的缺点是输出功率较小，维护费用高，不适用于日常实验。

1.2固体激光器

固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，它发展早，功率较高，应用范围较广泛[3]。

早期的红宝石激光器采用普通光源作为激发源。现今生产的红宝石激光器已经开发出许多新产品，种类也增多。固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器，它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大，不仅应用在军事上，也可广泛应用于工业领域。

固体激光器的主要问题：

1）温度效应严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功率高，导致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。

2）转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光器为0.5%~1%左右，YAG激光器为1%~2%，在最好的情况下可接近3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。

1.3液体激光器

液体激光器也称染料激光器。这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或者由其他激光器发出很短的光脉冲。输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米。液体激光器发出的激光对于光谱分析、激光化学和其他科学研究具有重要意义。

1.4其他激光器

半导体激光器：是以半导体材料作为激光工作物质的激光器，具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面都获得了重要应用。

自由电子激光器：工作物质是自由电子束。利用电子加速器输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐的原理，原则上可从厘米波一直调谐到真空紫外，可以获得极高的光功率输出。该类激光器将在激光分离同位素、激光核聚变、光化学、激光光谱和激光武器等方面有重大应用前景。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段。

化学激光器：将化学能直接转换成激光，输出的激光波长丰富，并具有高功率、高能量激光输出的特点[4]。

从20世纪60年代起，应用于LDA系统的激光源随着激光器技术的发展也一直在进步过程中。从He-Ne气体激光器到宝石类固体激光器，再到Ar离子气体激光器，发展到二极管泵浦固体激光器。下面对这几类激光器的性能特点作些探讨。

He-Ne气体激光器最早应用在速度校准LDA系统中。因为它的光束质量、长期稳定性要远远好于当时其他类型的激光器，而且其性价比高。He-Ne气体激光器在波长单色性、光斑质量、方向性和能量稳定性方面都非常突出。在德国PTB，该类型的速度校准LDA系统在使用超过10 a以后，其测量不确定度还可以保持在0.2%之内。不过He-Ne激光器有两个缺点：能量输出低，波长单一。能量输出低导致其LDA系统的工作距离受限制，一般小于400 mm；波长单一导致其LDA系统只能应用于一维LDA系统，无法同时测量二维和三维速度。

为解决能量输出这个问题，在20世纪70年代，开始有红宝石类固体激光器应用在LDA系统。宝石类固体激光器具有能量输出高的特点，但是其波长稳定度不如He-Ne气体激光器，价格也较高，因此，很少有该类型的LDA系统应用于速度校准。

2　风速校准中激光器的选择

本项目中选用的激光器是二极管泵浦固体激光（Diode Pump Solid State Laser，即DPSSL）。DPSSL是近年来国际上发展最快、应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代激光器。由于DPSSL中存在多次能量的转换，可获得高的总体效率（固体激光的输出效率与加在半导体激光器上的电功率之比）。一般来说，半导体激光泵浦固体激光器光-光转换效率达50%以上（理论极限为75%~78%），这比灯泵浦固体激光器高一个数量级。

DPSSL具有体积小、激光光斑质量稳定、可多个波长输出等特点，克服了早期固体激光器温度影响大的缺点，项目组认为DPSSL是目前最适合LDA系统风速校准的激光器。采用DPSSL的LDA系统体积较小，激光器可以直接安装在探头内，减少了分光器、光纤耦合器等影响因素；同时转换效率高，无需专门的冷却系统；可输出多个波长，同样适合二维和三维LDA系统。目前，世界上测速准确度最高的速度校准LDA系统由德国ILA公司生产，其测量不确定度可达0.003%。德国PTB就是采用二极管泵浦固体激光器。

DPSSL与其他LDA激光器相比，主要有以下几个特点：

1）工作时间长，传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的不超过2 000 h，而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时，从而大大降低了维护成本。

2）多个波长可供选择，以适合不同风速段的速度测量。

3）激光器的稳定度高，包括波长、光斑模式、相干性、光束方向、能量输出等，这是影响干涉条纹质量、保证数据的稳定性的最主要因素。

4）低功耗，转换效率高。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯发出的能量大部分转换成了热能，造成极大的能源浪费。而DPSSL发出固定的、被激光晶体吸收的808 nm波长激光，光光转换效率可高达40%以上，大大降低了运行成本。

5）激光器的尺寸小，易于搬运，便于小型化设计。一台DPSSL激光器大约只有传统灯泵浦激光器体积的1/3甚至更小，便于携带。

6）操作步骤简便可靠，适用各非标数据段。