способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей скорости потока активной смеси co2-лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа

Классы МПК:G01N21/85 исследование потоков текучих сред или гранулированных твердых материалов
G01P3/36 приборы, выполняющие измерения с помощью оптических средств, те инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2004-07-13
публикация патента:

Способ определения турбулентных пульсаций d(v2) поперечной составляющей скорости потока активной смеси СО 2-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 поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351

Формула изобретения

Способ определения турбулентных пульсаций d(v2) поперечной составляющей скорости потока активной смеси СО 2-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

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351

где I - интенсивность лазерного излучения;

IS - интенсивность насыщения среды;

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 2 - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня;

D - коэффициент обычной диффузии молекул СО 2;

q - волновое число амплитудной решетки;

dR/R - относительные пульсации коэффициента отражения R=I 4/I3;

I4 - интенсивность обращенной волны;

I3 - интенсивность пробного пучка.

Описание изобретения к патенту

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:

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351

где способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 , способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - длина волны излучения (способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 =10,6 мкм), способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - угол между направлениями распространения волн I 1 и I3, причем способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 <1, способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 2 - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня, I=I1+I2, D - коэффициент обычной диффузии молекул СО2 в лазерной смеси CO2 :N2:He. IS - интенсивность насыщения среды, способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - вектор скорости потока, способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - 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 способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 2Dq2>1+I/IS и способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 , абсолютные пульсации квадрата поперечной составляющей скорости прокачки активной смеси определяются как:

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351

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), способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - угол между I3 и I1.

Фиг.2. Принципиальная схема ВЧВС

I1, I2 - встречные волны одномодового резонатора;

I3 - пробный пучок;

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - угол между I1, I2;

способ определения турбулентных пульсаций поперечной составляющей   скорости потока активной смеси co<sub>2</sub>-лазера с быстрой   аксиальной прокачкой газа, патент № 2276351 - 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.

Класс G01N21/85 исследование потоков текучих сред или гранулированных твердых материалов

способ определения прозрачности плоских светопропускающих запечатываемых материалов -  патент 2525662 (20.08.2014)
устройство (варианты), способ измерения сыпучих продуктов и применение устройства для измерения сыпучих материалов -  патент 2522127 (10.07.2014)
система и способ охарактеризовывания размолотого материала в размольной установке -  патент 2510502 (27.03.2014)
способ и устройство измерения фоновой мутности жидкости -  патент 2504755 (20.01.2014)
система и способ онлайнового анализа и сортировки свойств свертывания молока -  патент 2497110 (27.10.2013)
способ определения качества смеси компонентов, различающихся по цвету -  патент 2495398 (10.10.2013)
способ и устройство для анализа и разделения зерна -  патент 2492453 (10.09.2013)
способ определения степени гомогенизации гетерогенных смесей по оптолептической информации об их поверхности -  патент 2489705 (10.08.2013)
способ определения качества смешивания сыпучих материалов -  патент 2487340 (10.07.2013)
устройство для определения высоты слоя вещества -  патент 2478191 (27.03.2013)

Класс G01P3/36 приборы, выполняющие измерения с помощью оптических средств, те инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей

устройство для измерения вектора скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркостей -  патент 2524441 (27.07.2014)
способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления -  патент 2521203 (27.06.2014)
устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра фабри-перо с волоконным вводом излучения -  патент 2511606 (10.04.2014)
оптический способ измерения скорости тел -  патент 2482500 (20.05.2013)
способ растрового оптического измерения скорости объекта -  патент 2482499 (20.05.2013)
устройство измерения перемещения и устройство измерения скорости -  патент 2467336 (20.11.2012)
детектор и способ определения скорости -  патент 2458352 (10.08.2012)
детектор скорости и способ определения скорости -  патент 2457492 (27.07.2012)
лазерное устройство для измерения скорости потока диализата -  патент 2445606 (20.03.2012)
устройство для определения коэффициента лобового сопротивления перемещающегося тела -  патент 2442172 (10.02.2012)
Наверх