一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪及测量方法与流程

1.本发明涉及光学测量技术领域，具体地，涉及一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪及测量方法。


背景技术：

2.聚焦激光差分干涉技术是空气动力学领域中重要的测量技术之一，主要应用于高超声速边界层密度脉动测量，便于分析边界层转捩，并准确预测转捩位置。聚焦激光差分干涉技术是通过光学折射和干涉将流场密度脉动信息转化为光强度调制信号，作为一种非接触式光学测量技术，激光聚焦差分干涉技术适用于高温、高晗等极端环镜，且无需引入示踪粒子，不会干扰被测流场。另外相比传统非接触光学测量技术，如高速阴影/纹影技术、马赫曾德干涉技术等，该技术解决了视线积分效应，实现测量区域空间点测量，大大提升了测量系统的空间分辨率，另外该技术响应频率高达mhz，能够测量流场中高频密度脉动信号，满足目前高超声速流场精确测量所要求的高时/空分辨率。
3.目前已经报道的单通道和双通道聚焦激光差分干涉仪，主要用于流场的高频密度脉动特征和速度测量，但是该系统明显缺乏灵活性，更换测点须水平或竖直移动整个测试系统，移动后往往需要重新对光路中各个分立光学元器件进行精密调节，且测点的移动位置难以精确控制，工作量大，耗费大量人力和时间成本，难以实现对流场中多点位进行精确、快速测量，这极大地限制了聚焦激光差分干涉仪实用性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有聚焦激光差分干涉仪灵活性差，不能实现连续扫描测量的缺陷。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪，所述干涉仪包括：
6.激光器、第一偏振片、半波片、凹透镜、第一双折射分光棱镜、第二双折射分光棱镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第三双折射分光棱镜、第二偏振片、第四双折射分光棱镜和光电探测器；
7.其中，所述激光器用于产生激光束并射入所述第一偏振片获得第一偏振光束，所述第一偏振光束射入所述半波片进行偏振方向调控获得第二偏振光束，第二偏振光束经所述凹透镜转化为发散光束，所述发散光束射入所述第一双折射分光棱镜进行偏光处理后获得第三偏振光束，所述第三偏振光束射入所述第二双折射分光棱镜分解为两束具有分离角度且强度相等的正交偏振光束，所述第一凸透镜用于将所述正交偏振光束汇聚在测量区域形成测点；所述第二凸透镜用于接收测量区域内的光束并射入所述第三双折射分光棱镜，所述第三双折射分光棱镜用于将两束具有分离角的正交偏振光束合成为共光轴的正交偏振光束并射入所述第二偏振片，所述第二偏振片用于对射入的正交偏振光束进行检偏获得第三偏振光束并射入所述第四双折射分光棱镜，所述第四双折射分光棱镜用于对所述第三
偏振光束进行与所述第一双折射分光棱镜对应的逆偏光处理，从所述第四双折射分光棱镜射出的光束射入所述光电探测器进行信号采集。
8.其中，本发明采用移动所述第一双折射分光棱镜和所述第四双折射分光棱镜的方法来实现聚焦激光差分干涉仪测点连续扫描。本发明在扫描测量过程中，仅需要同步调节两个器件，操作简单，解决了目前聚焦差分干涉仪灵活性差，多点连续测量时实用性低的问题。
9.本发明中的连续扫描式聚焦激光差分干涉仪可实现横向任意方向连续扫描测量，大大提升了聚焦激光差分干涉仪的实用性和灵活性。本发明可以应用于快速测量高超声速流场附面层内密度脉动沿流向或展向的分布情况。
10.优选的，第一双折射分光棱镜、第二双折射分光棱镜、第三双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜均为渥拉斯顿棱镜。本发明利用渥拉斯顿棱镜的偏光/分光效应可以实现良好的效果，且渥拉斯顿棱镜分离角相对较小，具备更好的效果。
11.优选的，第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜参数相同且分光轴平行，实现光束偏光与逆偏光的完全对称操作；第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜参数相同且分光轴平行，实现光束分光与合束的完全对称操作；第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜的分离角小于第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜的分离角，一方面确保测点具有大扫描范围，另一方面避免双测点扫面时出现测点交叠。
12.优选的，第一凸透镜与第二凸透镜参数相同，确保光束会聚与收集过程中光路的对称性，便于上述两对双折射分光棱镜的对称操作。
13.优选的，所述半波片用于调节激光束偏振方向，使偏振方向与第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜的分光轴呈45度夹角，对光束进行偏光，通过沿光轴方向对称移动第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜，从而控制测点位置，实现连续扫描；也可使偏振方向与第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜的分光轴重合，将线偏振光分解为两束正交偏振光束，通过沿光轴方向对称移动第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜，实现双测点对称扫描。仅实现单测点连续扫描时，第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜可由其它偏光器件替代，包括但不限于渥拉斯顿棱镜、三角棱镜和劈型镜等。
14.优选的，第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜安装于同步控制的对称位移平台上。这样设计的目的是便于同步对称移动第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜，进而实现快速扫描测量。
15.优选的，第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜的分光轴方向与第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜的分光轴方向呈45度。这样设计的目的是将偏光后的线偏振光束分解为具有小分离角度的、等强度的正交偏振光束，实现高空间分辨测量。
16.优选的，为了防止第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜位移过程中，光线连续偏折过程会中，超出第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜的透光范围。本发明中第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜的通光口径大于第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜的通光口径。
17.优选的，所述第一偏振片、所述半波片、所述第一双折射分光棱镜、所述第二双折射分光棱镜、所述第三双折射分光棱镜、所述第二偏振片和第四双折射分光棱镜均安装有旋转框架。采用上述设计便于光强度、偏振方向、测点扫描方向和测点敏感方向调节，其中
旋转第一偏振片可以调控出射激光强度，旋转半波片可以调控激光束偏振方向，旋转第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜可以调控测点扫描方向，旋转第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜可以调控测点敏感方向。
18.为实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于所述的一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪的测量方法，所述方法包括：
19.开启所述激光器；
20.旋转所述半波片，使得偏振光束偏振方向与所述第一双折射分光棱镜和所述第四双折射分光棱镜的分光轴平行；
21.沿光轴方向对称移动所述第一双折射分光棱镜和所述第四双折射分光棱镜，实现双测点连续扫描测量；
22.或
23.开启所述激光器；
24.旋转所述半波片，使得偏振光束偏振方向与所述第一双折射分光棱镜和所述第四双折射分光棱镜的分光轴呈45度夹角；
25.沿光轴方向对称移动所述第一双折射分光棱镜和所述第四双折射分光棱镜，实现单测点连续扫描测量。
26.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
27.本发明仅需要通过对称移动第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜，便可以实现聚焦激光差分干涉仪测点连续扫描，结构灵活性高，实用性强。
28.本发明通过调节第二双折射分光棱镜和第三双折射分光棱镜，可以实现测点任意敏感方向调节。
29.本发明通过调节第一偏振片可以控制输出光信号强度。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
31.图1为本发明的一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪结构示意图；
32.图2为渥拉斯顿棱镜分光原理示意图，图中渥拉斯顿棱镜分光轴与水平和竖直方向呈45度夹角；
33.图3为渥拉斯顿棱镜偏光原理示意图，图中渥拉斯顿棱镜分光轴与水平和竖直方向呈45度夹角；
34.图中的附图标记解释为：
35.1-激光器，2-第一偏振片，3-半波片，4-凹透镜，5-第一双折射分光棱镜，6-第二双折射分光棱镜，7-第一凸透镜，8-第二凸透镜，9-第三双折射分光棱镜，10-第二偏振片，11-第四双折射分光棱镜，12-光电探测器，13-入射线偏振光束，14-出射水平偏振光束，15-出射竖直偏振光束，16-第一渥拉斯顿棱镜，17-入射水平偏振光束，18-出射水平偏振光束，19-第二渥拉斯顿棱镜。
具体实施方式
36.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
38.实施例一
39.请参考图1-图3，本发明提供了一种连续扫描式聚焦激光差分干涉仪，所述干涉仪包括：
40.激光器1、第一偏振片2、半波片3、凹透镜4、第一双折射分光棱镜5、第二双折射分光棱镜6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、第三双折射分光棱镜9、第二偏振片10、第四双折射分光棱镜11和光电探测器12。
41.其中，本实施例中的双折射分光棱镜可以采用渥拉斯顿棱镜，也可以采用三角棱镜和劈型镜等，本发明实施例不进行具体的限定。
42.本发明中的干涉仪所使用的第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11安装于同步控制的对称位移平台上，使其沿光轴轴方向对称位移，实现测点在垂直于光轴方向上连续扫描，同时第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11使用大分离角渥拉斯顿棱镜，提升测点的连续扫描范围；第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9使用小分离角渥拉斯顿棱镜，减小两会聚光斑的分离距离，提升聚焦激光差分干涉仪的空间测量分辨率。本发明解决了目前聚焦激光差分干涉仪无法连续扫描测量的问题，可实现横向任意方向连续扫描测量，大大提升了聚焦激光差分干涉仪的实用性和灵活性。本发明可以应用于快速测量高超声速流场附面层内密度脉动沿流向或展向的分布情况。
43.下面对干涉仪中的具体部件进行介绍：
44.其中，激光器1优选为窄线宽激光器，用于产生高相干性的激光束；
45.第一偏振片2和第二偏振片10，用于在发射端产生高偏振度的线偏振光束，在接收端对合并光束进行检偏；
46.半波片3，用于在发射端调控线偏振光束的偏振方向；
47.凹透镜4，用于将平行的线偏振激光束转化为发散光束；
48.第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11，参数相同，分光轴平行，用于实现聚焦激光差分干涉仪测点连续扫描；
49.第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9，参数相同，分光轴平行，用于将线偏振光束分解为具有小分离角度的、等强度的正交偏振光束；
50.第一凸透镜7和第二凸透镜8，参数相同，用于会聚和接收光束；
51.光电探测器12，用于接收、采集光强度时变信号。
52.其中，在本发明实施例中，第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11安装于同步控制的对称位移平台上，可精密控制两个棱镜以测点为中心，在沿着光轴方向上对称位移，位移平台包括但不限于同步控制的电动位移平台。
53.第一双折射分光棱镜5，用于对光束进行偏光，使光束传播方向与系统光轴形成偏
角；
54.第二双折射分光棱镜6，用于将线偏振光束分解为两束具有小分离角度的、等强度的正交偏振光束，形成测点；
55.第三双折射分光棱镜9，参数和分光轴方向与第二双折射分光棱镜6相同，用于对第二双折射分光棱镜6进行逆操作，将两束具有小分离角度的正交偏振光束合成为共光轴的正交偏振光束；
56.第四双折射分光棱镜11，参数和分光轴方向与第一双折射分光棱镜5相同，用于对第一双折射分光棱镜5进行逆操作，将共轴光束传播方向偏转至系统光轴方向。
57.第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11分离角较大，通常在1
°
以上，便于提升测点扫描范围。
58.第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9分离角较小，通常在5’以内，且分光轴方向与第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11分光轴方向呈45度，将偏光后的线偏振光束分解为具有小分离角度的、等强度的正交偏振光束，实现高空间分辨测量。
59.第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9的通光口径大于第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11，防止第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11位移过程中，光线连续偏折过程会中，超出第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9的透光范围，通常第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11的通光口径为1/2英寸，第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9的通过口径大于1英寸。
60.其中，在本发明实施例中偏振片、半波片和渥拉斯顿棱镜均安装旋转框架或其他可旋转设备、连接件、连接架等安装，能够调整或旋转角度即可，便于光强度、偏振方向、测点扫描方向和测点敏感方向调节，其中旋转第一偏振片可以调控出射激光强度，旋转半波片可以调控激光束偏振方向，旋转第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11，可以调控测点扫描方向，旋转第二双折射分光棱镜6和第三双折射分光棱镜9可以调控测点敏感方向。
61.本发明采用第一双折射分光棱镜和第四双折射分光棱镜实现激光光束偏光，通过移动沿光轴方向移动渥拉斯顿棱镜，实现测点在垂直于光轴方向连续扫描。连续扫描式聚焦激光差分干涉仪发射端，激光器输出激光通过第一偏振片与半波片组合，产生高输出效率和偏振对比度的线偏振平行光束，凹透镜将平行光束以一定分离角发散，实现测点位置高质量聚焦，通过移动第一双折射分光棱镜，实现测点连续扫描，第二双折射分光棱镜将偏折后的线偏振光束分解为小分离角的等强度正交偏振光，通过第一凸透镜聚焦，在测量区域形成测点。在接收端，第二凸透镜接收测量区域光束重新会聚，第三双折射分光棱镜将分离的正交偏振光束合为共光轴光束，通过第二偏振片检偏，形成强度调制，第四双折射分光棱镜和第一双折射分光棱镜沿光轴方向同步对称移动，在实现测点连续扫描的同时，保证光束沿光路方向被快速光电探测器接收。
62.实施例二
63.在实施例一的基础上，利用实施例一的干涉仪本实施例提供了2种不同情况下的信号测量方法：
64.双测点连续扫描式聚焦激光差分干涉仪测量方法：
65.通过旋转图1中的半波片，控制线偏振光束偏振方向与第一双折射分光棱镜5和第
四双折射分光棱镜11的分光轴平行，如图2所示，线偏振光束分解为两束具有一定分离角的、等强度的正交偏振光束，通过沿光轴方向对称移动第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11，此时在两透镜之间形成的两个测点将在垂直于光轴的方向上对称移动，从而实现双测点连续扫描。
66.单测点连续扫描式聚焦激光差分干涉仪测量方法：
67.通过旋转图1中的半波片，控制线偏振光束偏振方向与第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11的分光轴呈45度夹角，如图3所示，水平线偏振光束通过渥拉斯顿棱镜后发生一定角度的偏折，沿光轴方向对称第一双折射分光棱镜5和第四双折射分光棱镜11，此时在两透镜之间形成的测量点将在垂直于光轴的方向上连续移动，从而实现单测点连续扫描。
68.本发明的优势在于采用移动渥拉斯顿棱镜对的方法来实现聚焦激光差分干涉仪测点连续扫描。本发明在扫描测量过程中，仅需要同步调节两个器件，操作简单，解决了目前聚焦差分干涉仪灵活性差，多点连续测量时实用性低的问题。
69.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
70.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。