基于時空復(fù)用技術(shù)的激光光束合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多脈沖速度粒子成像技術(shù)，特別是涉及基于時空復(fù)用技術(shù)的激光光束合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃燒、噴射流動以及其他空氣空力學(xué)及水力學(xué)的各種研究測量中，通常采用速度粒子成像技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)測量系統(tǒng)。PIV技術(shù)是在流動顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種新的流動測量技術(shù);通過跟蹤示蹤粒子來判斷速度的大小和方向。PIV技術(shù)現(xiàn)代流體力學(xué)研究和重大工業(yè)流體力學(xué)試驗的支撐性實驗技術(shù)手段。盡管PIV測量技術(shù)已經(jīng)成為實驗流體力學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)裝置，然而該技術(shù)仍存若干重要技術(shù)局限，難以滿足流體力學(xué)實驗研究的若干重大需求，這些局限性主要包括:在面向重大工程性需求的應(yīng)用研究中，受流體三維運動特性的制約，雙曝光常規(guī)PIV系統(tǒng)的信噪比處理能力有極大的限制，這在一些典型的旋流、流向渦等流動結(jié)構(gòu)測量中，局限性極大；傳統(tǒng)的PIV測量技術(shù)使用雙脈沖片光源激光器作為照明系統(tǒng)，適用于粒子濃度低的情況，得到的速度矢量場的空間分辨率也很低。當(dāng)粒子濃度高時，粒子像會重疊在一起，無法得到獨立的粒子像;采用雙脈沖曝光，僅能獲得某一瞬間的速度場分布，而不能獲得一段連續(xù)的反應(yīng)動力學(xué)的演變過程。上述問題迫切需要對傳統(tǒng)PIV系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)進行重大革新，多曝光PIV技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)方向。
[0003]用多脈沖激光器取代PIV測量系統(tǒng)中的雙脈沖激光器，在測量高濃度粒子時，采用傳統(tǒng)多脈沖激光器多級正交偏振法逐級合成的方法，后續(xù)每個合成環(huán)節(jié)會造成50%能量損失。以8脈沖激光器為例，共有3個后續(xù)合成環(huán)節(jié)，能量利用率低，只有約20%。而且系統(tǒng)復(fù)雜，多脈沖共光軸調(diào)整困難。如圖1所示。1#激光脈沖和2#激光脈沖的偏振態(tài)為水平方向，3#激光脈沖和4#激光脈沖的偏振態(tài)為垂直方向，經(jīng)過偏振合成器檢偏，通過精密調(diào)節(jié)偏振合成器合成后，1#、2#激光脈沖的偏振態(tài)為水平方向，3#、4#激光脈沖的偏振態(tài)為垂直方向，時間從先到后為1#、2#、3#、4#。采用相同的方法，可以合成5#、6#、7#、8#激光同軸。為了讓8路激光同軸，仍然采用偏振合成的方法，我們稱之為第二級偏振合成，與前一級偏振合成不同的是需要先用偏振調(diào)制器將水平和垂直偏振態(tài)同時旋轉(zhuǎn)45°方向，經(jīng)過偏振合成器檢偏，1#、2#、3#、4#激光脈沖通過正交分解，50%的能量透過偏正合成器。5#、6#、7#、8#激光脈沖通過正交分解，垂直分離的激光被反射，反射后與1#、2#、3#、4#激光脈沖同光軸。合成后的1#、2#、3#、4#激光脈沖偏振態(tài)為水平，5#、6#、7#、8#激光脈沖偏振態(tài)為垂直。為了讓合成后的八路激光脈沖的偏振態(tài)均為水平或垂直方向，需要用偏振調(diào)制器將水平和垂直偏振態(tài)同時旋轉(zhuǎn)45°方向，最終用檢偏器水平或垂直檢偏輸出，由于采用了正交分解的方法，各路光的透過率均為50%。經(jīng)過第一次偏振合成、第二次偏振合成和最終的檢偏輸出，八路激光脈沖完全同軸，偏振態(tài)也完全一致，時間從先到后為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。第一次偏振合成的效率為100 %，在第二次偏振合成，各路的能量再次損失50 %，末級檢偏的效率為50%?？紤]到每級偏振合成器的透過率實際為95%，總體的合成效率約為20% (95% X 5%X95% X5% X95% * 21.4%)o

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的多級正交偏振法逐級合成激光的方法存在的上述問題，提出了基于時空復(fù)用技術(shù)的激光光束合成方法，利用該方法合成光具有能量利用率尚、可靠性尚的特點。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了基于時空復(fù)用技術(shù)的激光光束合成方法，所述方法通過激光合成裝置實現(xiàn)，所述激光合成裝置包括依次沿著光軸交替排列的N個空間復(fù)用器和N個時間復(fù)用器;所述方法包括:以第一激光脈沖的傳播方向作為光軸，第二、第三…第N+1激光脈沖依次通過第一、第二…第N空間復(fù)用器從垂直于光軸的方向耦合進光路;通過調(diào)節(jié)N個空間復(fù)用器的姿態(tài)使第二、第三…第N+1激光脈沖與第一激光脈沖完全共光軸；第一、第二…第N空間復(fù)用器輸出的光分別進入第一、第二…第N時間復(fù)用器，所述第一、第二…第N時間復(fù)用器分別產(chǎn)生一個脈沖信號，調(diào)整第二、第三...第N+1激光脈沖的偏振，使其與第一激光脈沖的偏振一致;最后，第N時間復(fù)用器輸出一束完全同軸的含有N+1個脈沖的激光;其中，所述參數(shù)N2 3。
[0006]上述技術(shù)方案中，所述方法具體包括:
[0007]步驟1)第一激光脈沖沿光軸方向進入第一空間復(fù)用器;第二激光脈沖沿垂直于光軸的方向進入第一空間復(fù)用器;通過調(diào)節(jié)第一空間復(fù)用器的姿態(tài)使第二激光脈沖與第一激光脈沖完全共光軸;之后第一激光脈沖與第二激光脈沖沿著光軸方向分別進入第一時間復(fù)用器，所述第一個時間復(fù)用器產(chǎn)生一個脈沖信號，用于調(diào)整第二激光脈沖的偏振，使其與第一激光脈沖的偏振一致；
[0008]步驟2)第一激光脈沖與第二激光脈沖沿著光軸方向進入第二空間復(fù)用器;第三激光脈沖沿垂直于光軸的方向進入第二空間復(fù)用器;通過調(diào)節(jié)第二空間復(fù)用器的姿態(tài)使第三激光脈沖與第一激光脈沖完全共光軸;第一激光脈沖、第二激光脈沖和第三激光脈沖沿著光軸方向分別進入第二時間復(fù)用器，所述第二時間復(fù)用器產(chǎn)生一個脈沖信號，用于調(diào)整第三激光脈沖的偏振，使其與第一激光脈沖的偏振一致；
[0009]步驟3)依次類推;第一激光脈沖、第二激光脈沖、…和第N激光脈沖沿著光軸方向進入第N空間復(fù)用器;第N+1激光脈沖沿垂直于光軸的方向進入第N空間復(fù)用器;通過調(diào)節(jié)第N空間復(fù)用器的姿態(tài)使第N+1激光脈沖與第一激光脈沖完全共光軸;第一激光脈沖、第二激光脈沖、…和第N+1激光脈沖沿著光軸方向分別進入第N時間復(fù)用器，所述第N時間復(fù)用器產(chǎn)生一個脈沖信號，用于調(diào)整第N+1激光脈沖的偏振，使其與第一激光脈沖的偏振一致；
[0010]步驟4)所述第N時間復(fù)用器輸出一束完全同軸的激光束，所述激光束中含有N+1個脈沖。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012]1、使用本發(fā)明的方法合成的激光測量高濃度粒子分布時，可以提高其測量精度；
[0013]2、本發(fā)明的方法采用特殊空間時間復(fù)用技術(shù)，突破了傳統(tǒng)偏振合成過程中能量損失一半的限制，實現(xiàn)了多脈沖高效光束合成，大大降低了多路激光空間合成的復(fù)雜程度，可靠性大大提尚;
[0014]3、本發(fā)明的方法采用了高精度的多路脈沖時間復(fù)用技術(shù)，使得脈沖間隔精度達到0.5ns,為提高測量精度提供了保障；
[0015]4、本發(fā)明的方法采用N+1空間時間復(fù)用技術(shù)，不僅能夠方便實現(xiàn)8脈沖無損耗光束合成，還能無限制擴展到16脈沖和32脈沖，為更高馬