 |
Влияние степени когерентности источника света на чувствительность обнаружения ЛДИС
|
|
|
|
Особенности функционирования дифференциальной схемы ЛДИС
В схеме (рис.1) – коллимированный луч лазера – 1 с помощью набора призм 4, 5, 14 делится на два параллельных луча, которые, пройдя через диафрагму 6, фокусируются объективом 7 в анализируемом объеме среды 8.
Сигнал, несущий информацию о скорости потока (среды), определяется гетеродинированием излучений, возбужденных общим рассеивающим центром. В области пересечения двух излучений образуется интерференционная картина с чередованием максимумов и минимумов интенсивности с периодом
.
Изображение интерференционной картины фокусируется объективами 7 и 3 на фотоумножитель 10 в направлении 
.
Доплеровский сдвиг частоты от облучающей волны света, описываемой вектором 
в направлении , будет
,
а от 
в том же направлении
.
Возбуждаемый обоими рассеянными излучениями ток фотоумножителя имеет частоту
,
- угол между волновыми векторами и .
Рис.1
Дифракционная схема ЛДИС с рассеянием назад – а);
Поляризационная дифференциальная схема ЛДИС для измерения вектора скорости потока 
по составляющим б)
1 – лазер; 2 – система накачки лазера; 3 – объектив; 4, 14 – призмы; 5 – призма;
6 – диафрагма; 7 – длиннофокусный объектив; 8 – исследуемая среда; 9 – полевая диафрагма; 10 – ФЭУ; 11 – усилитель; 12 – анализатор спектра; 13 – индикатор.
Рис.2.
Значение доплеровского сдвига частот не зависит от направления вектора , так как при его изменении каждая отдельная частота 
и 
увеличивается или уменьшается одинаково и разностная частота
остается постоянной. Поэтому рассмотренная схема с рассеянием назад наиболее пригодна для проведения измерений скорости потока.
Особенности функционирования дифференциальной схемы ЛДИС для изменения вектора скорости турбулентных потоков
|
|
|
Рис.1
Дифракционная схема ЛДИС с рассеянием назад – а);
Поляризационная дифференциальная схема ЛДИС для измерения вектора скорости потока по составляющим б)
1 – лазер; 2 – система накачки лазера; 3 – объектив; 4, 14 – призмы; 5 – призма;
6 – диафрагма; 7 – длиннофокусный объектив; 8 – исследуемая среда; 9 – полевая диафрагма; 10 – ФЭУ; 11 – усилитель; 12 – анализатор спектра; 13 – индикатор.
Рис.2.
Для измерения вектора турбулентных потоков на дальности ≥ 20м применяется поляризационная дифференциальная схема ЛДИС (рис.1).
Излучение газового лазера 1 на CO2 проходит поляризационную призму Воластона 2, которая делит поток излучения на обыкновенный и необыкновенный линейно – поляризованные лучи. [Призма Воластона – поляризационная двоякопреломляющая призма из исландского шпата. Она преобразует неполяризованный пучок света в линейно – поляризованные с ортогональным расположением векторов 
и 
лучи: обыкновенный с показателем преломления 
и необыкновенный с 
].
Далее два луча проходят полупрозрачное зеркало 3 и зеркальной системой Кассегрена 4 направляются в исследуемую точку потока А, находящуюся на расстоянии 
от оптической антенны.
В зоне пересечения двух лучей образуется интерференционная картина соответственно для каждой пары линейно – поляризованных лучей. Рассеянное потоком излучение вновь собирается оптической антенной и полупрозрачным зеркалом 3 направляется через другую призму Воластона 5 на фотоумножитель 6 и далее в электронный тракт обработки сигнала.
Влияние степени когерентности источника света на чувствительность обнаружения ЛДИС
Лазерные доплеровские измерители по сути являются интерферометрами, поэтому их чувствительность обнаружения в большой мере зависит от степени когерентности лазерного источника света. Спектр мощности < 
> сигнала биений, получаемого световым детектором при использовании лазера с одномодовыми продольными колебаниями и шириной спектральной линии 
, выражается как
|
|
|
< >~ 
,
где 
- временной интервал (задержка) между двумя лучами, проходящими от источника света к световому детектору (например, в лазерном доплеровском измерителе скорости это опорный и сигнальный лучи интерферометра).
Устройства, в которых источником света является лазер с многомодовыми продольными колебаниями, обладают низкой чувствительностью обнаружения, поскольку обычно возникают сигналы биений для каждой поперечной моды, различные по фазе. При одинаковой ширине линий спектра излучения каждой продольной моды и частотном интервале между смежными продольными модами 
спектр мощности сигналов биений
< >~ 
.
Здесь 
- число продольных мод; 
- нормированная выходная мощность k-й продольной моды.
Понятно, что при 
(
- целое число) сигналы биений для каждой моды будут иметь одинаковые фазы и эта формула превратиться в предыдущую, а именно < >~ , т.е. в этом случае можно получить такую же чувствительность обнаружения, как и с лазером одномодовых колебаний. На рис 1 показана зависимость мощности сигнала биений от разности 
оптической длины пути для лучей (эта разность равна 
, где 
- скорость света внутри оптического волокна) в лазерном доплеровском измерителе скорости дифференциального типа (аргоновый лазер с 45 модами излучения). Можно видеть, что чувствительность обнаружения периодически резко возрастает.
|
|
|
