一种测量重频激光器腔内循环气体流动速度的方法

摘要

本发明属于速度光学测量技术领域，涉及的是测量流场速度的方法。本发明通过配备增强型电荷耦合(ICCD)成像器件，结合干涉法或纹影法装置系统来拍摄流场的分布规律，通过控制器的延时控制功能，拍摄得到热气团的发生及演化过程，将获得的图像进行数字图像处理，根据图像的特征得到热气团的中心线，对多帧图像处理得到热气团中心线随时间的变化规律，采用最小二乘法进行数据处理和误差估计，得到一维流场的速度分布信息，本方法采用非接触测量方法，能对流场速度进行实时测量，并得到整个一维速度分布信息，克服了现有技术中的不足和缺陷，具有很强的进步及实用性。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是测量流场速度的方法，特别 是一种配备增强型电荷耦合(ICCD)成像器件来拍摄流场的分布规律，利 用放电之后腔内能量沉积产生的热气团及其随流场漂移的特征，通过干涉 法或纹影法对热气团进行观测，追踪热气团的中心线移动，从而实现流场 速度测量的方法。该方法尤其适用于重复率脉冲激光器内气体流场速度的 测量。

背景技术

采用脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器具有重复率高、能量大及成本低 的特点在工业上获得了广泛的应用，如集成电路光刻，激光医疗和工业加 工等。激光腔内流场的不均匀性会严重影响光束质量、输出平均功率，甚 至抑制激光振荡的产生。高压脉冲放电会在激光腔内产生杂质及剩余能量 的沉积会使放电区域的气体加热，从而使激光腔内的流场均匀性受到严重 的影响，直接影响下一个脉冲放电的性能，甚至导致弧光放电的产生。因 此需要一个循环流通系统来清除脉冲放电过后的热气团和杂质。随着对重 复频率指标的要求的增高，对流场循环流动的速度要求也在提高，这对激 光腔内流场流速的测量方法也提出了更高的要求。

传统的流场速度的测量方法经常会采用皮托管，该方法测量时将皮托 管正对流向，通过测量管头和静压管中心的压力差，并应用流线的伯努利 方程计算出流体的流速。皮托管测流速具有设备简单，操作方便等优点， 由于这种方法属于一种接触式测量，对激光腔内的流场将产生扰动，并且 在放电激励方向，测量时比较难以实现精确定位，其测得的速度有相当的 误差。因此一般该方法仅限于在实验室对未处于放电状态的激光腔的流场 速度进行测量。另外皮托管测量方法也无法实现对放电工作的激光器腔内 流速的实时测量(M.L.sentis，R.Entropic，115，3-12(1984)；H.Hatanaka，K.Midorikawa，M. Obara，and H.Tashiro，Review of Scientific Instruments 64，3061-3065(1993).)。而采用非接触 的光学测量方法能很好的解决上述问题，实现对激光腔内的流场速度进行 实时测量。

非接触测量由于具有避免接触测量时造成的人为干扰，因此可以测量 一些不可接触的物体，如腐蚀性气体等，而且结果可以通过数字图像处理， 计算机识别，具有采集速度较快等优点，能很好的适用于激光腔内流速的 测量，特别适合于正在工作的激光器腔内流速、以及使用腐蚀性工作气体 的准分子激光器的腔内流场速度的测量。由于脉冲气体激光器快速放电激 励，在腔内会有能量沉积，使主放电区域气体被瞬间加热并向周边膨胀， 形成一个具有规则热分布区域的热气团，该膨胀过程为等熵膨胀过程，其 密度分布与温度分布具有反比关系，热气团随着气体循环流动逐渐向下游 漂移从而移出放电区域。由于平行光束通过密度不均匀气体时会发生偏折， 其中平行光束的偏折角与密度梯度成正比，将激光光束固定于热气团下游 某一位置，探测并记录整个热气团流过时光束偏折的情况。Kosugi等人利 用该单点光线偏折法来测量气体激光器腔内的流动速度(Kosugi，Maeno and  Honma[J].Jpn.J.Appl.Phys.1993，Vol.32：4980-4986)。如图1(a)所示，调整探测光1 方向与激光器的轴向平行，位于主放电区3中心线下游某一固定距离处， 利用二象限光电二极管4对透过激光器工作气体的探测光进行接收，并在 示波器5上进行显示。放电之初，激光光束在光电二极管的两个象限光强 分布相同，因此将其信号相减输出信号为0，热气团经过以后，光束发生偏 折，两象限的光强不再相等，从而会有相应信号变化，信号大小及正负与 光束偏折角相关，热气团的密度分布决定了光束偏折角的大小和方向。如 图1(b)所示为得到的光电二极管输出信号，其中t₀时刻对应的零点即对 应热气团中心到达探测光的时刻。通过测量探测光线位置距离放电中心距 离s，就可以测量出该点的流场的流动速度，即：v＝s/t₀。该方法对探测光 源要求较高，为了能测量光线微小偏折量，光束的发散角要小，而且对光 斑半径要求较高(在1mm以下)，该方法只能测量流场内某一点的速度， 而流场速度通常是不均匀的，通常靠近两电极位置的流速较小，为了测量 流场流速的分布，必须针对每一个需要的数据点进行光路调整，所以该方 法对测量流场流速分布显得非常麻烦。

干涉法和纹影法也是传统的流场检测方法。应用于流场检测的干涉法 种类很多，常用的有全息干涉(Clark，Applied Optics 13，1995(1974).)和马赫泽德 干涉法(J.T.L.F.Wingate，AIAA Paper 81-1286(1981).)等。虽然不同方法的实验装 置有少许改变，但他们的原理大致相同，都是以光波干涉原理为基础的测 量技术。干涉图中的干涉条纹是干涉测量得到的信息载体，反映了两路不 同路径的光束传输过程的光程差。如图2所示为一典型的马赫泽德干涉仪 装置示意图。马赫泽德干涉系统主要由三部分组成，即光路系统，光源系 统和干涉图接收系统。光路系统由探测光源11，扩束系统12组成，系统的 双光路部分包括半透半反镜13和17，全反镜14和15，构成一个矩形结构。 其中一路光经过探测区域，即激光腔16。干涉图接收系统一般将干涉条纹 成像于毛玻璃屏18，继而由成像器件19对图像进行记录或直接将干涉条纹 直接投射到接收器进行记录。该方法特别适用于研究气体密度迅速变化的 状态。由于气体折射率的变化与其密度的变化成正比，而折射率的变化将 使通过气体的光线有不同的光程，因此一个平面光波和一个通过气体的光 波能够获得等厚干涉条纹，这些条纹能反映出气体折射率和密度分布状况。 在脉冲放电激光器中，放电发生后产生的热气团有一定规则的密度分布， 对应于干涉图像上的等厚干涉条纹，这些干涉条纹的对称中心即为热气团 的中心线。利用成像器件对不同时刻流场的记录，可以获得热气团的密度 分布时序图。

纹影法原理同单点偏折法相似，都是利用了光束在折射率分布不均匀 的介质中发生偏折的性质。在纹影法测量中，将探测光源31进行扩束，使 得整个光斑大于探测区域的大小。利用透镜34将出射光束进行聚焦，并在 透镜后焦面处设置一个孔径光阑35。同干涉法一样在小孔后面放置一块毛 玻璃36，利用成像器件37对所获得的图像进行记录。在纹影法测量中，小 孔的作用非常重要，若通过密度场中某一点的光线发生偏折，会使相应的 光源像位移，该移动部分会被小孔遮挡，降低了该光束在观察屏上对应的 特定像点的照度，即屏上照度的大小与相应位置的偏折角能够对应起来， 从而获得整个腔内的密度梯度分布信息。特别在热气团密度梯度较大时， 光束经过热气团会产生很大的偏折角，使光束完全偏离出小孔光阑，在屏 上会得到一个完全的暗区，该暗区的中心线对应于热气团的中心。利用成 像器件对不同时刻流场的记录，可以获得热气团的密度梯度时序图像。

这两种方法通常用来观测激光器腔内流场的均匀性及声波和激波扰动 等影响因素。本发明正是基于上述探测装置及腔内流场的规律进行基础流 场的分析，通过追踪热气团的演变及其随着流场的移动，得到腔内气体循 环流动的速度。

发明内容

本发明目的是提供一种测量重频激光器腔内循环气体流动速度的方 法，该方法能够简单而准确地测量高重频激光器的气体流场速度。

本发明提供的一种测量重频激光器腔内循环气体流动速度的方法，其 特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)激光器腔内流场分布的获得与采集

根据待测激光器的工作状态，选择干涉法或纹影法获得流场的分布图 像，并用成像器件对获得的图像进行采集，获得激光器腔内流场分布的时 序图像；

(2)时序图像预处理

通过对获得的时序图像进行平滑和去噪处理，获得条纹分布，然后进 行二值化及细化处理，获得各级条纹的中心线；

(3)获得热气团的中心位置

对细化处理后的图像进行中心线提取，得到热气团的中心线位置；

(4)数据分析处理

采用最小二乘法对热气团的中心线位置进行数据分析处理；

(5)获得流场速度的分布图

以放电激励方向为横坐标，以流场流动方向为纵坐标，采用相同的一 阶线性拟合方程对每个横坐标位置对应的纵坐标进行计算，得到不同横坐 标对应的流场平均速度，从而得到以放电激励方向为横坐标的流场的速度 分布。

本发明通过配备增强型电荷耦合(ICCD)成像器件，结合干涉法或纹 影法装置系统来拍摄流场的密度分布规律，通过控制器的延时控制功能， 拍摄得到热气团的发生及演化过程，将获得的图像进行数字图像处理，提 取出每一帧图像中的热气团中心线及位置信息，将多帧图像进行处理，得 到热气团中心线随时间的变化规律，采用最小二乘法进行数据处理和误差 估计，得到整个流场的一维速度信息。

本发明克服了单点测量的局限性影响，测量范围更大，无需多次测量 就能够得到流场的一维速度分布，即得到沿着放电激励方向各个位置的流 场的平均速度。干涉法能探测流场的微小扰动，精度更高。该发明具有测 量易于实现、测量速度范围大、精度高和操作方便的特点，具有很强的实 用性。

附图说明

图1是单点光线偏折示意图，其中(a)为单点光线偏折法装置示意图， (b)为二象限光电探测器输出信号；

图2是干涉法结构示意图；

图3是纹影法结构示意图；

图4是流场速度测量方法流程图；

图5是采用干涉法得到的一组流场的干涉图样，其中(a)为放电初始时 刻干涉图像，(b)为放电发生100us后的干涉图像，(c)为放电发生200us 后的干涉图像(d)为放电发生300us后的干涉图像；

图6是采用干涉法得到的不同时刻中心线的位置分布；

图7是采用干涉法得到的速度分布图。

具体实施方式

脉冲气体激光器的电光转换效率较低，脉冲气体放电激励之后，过剩 的注入能量会在腔内沉积，使主放电区域气体瞬间加热并等熵膨胀，形成 有规则热分布的热气团，热气团随着气体循环流动逐渐向下游漂移从而移 出放电区域。在移动过程中，热气团的基本特征保持不变，特别是热气团 中心线附近的结构。本发明正是基于上述过程，结合干涉或纹影法实验装 置系统，配备高速成像器件，观察热气团流动，提出了一种新的流场速度 测量方法。流场速度测量方法流程如图4所示，以下分别予以介绍：

(1)激光器腔内流场分布的获得与采集

根据待测激光器的工作状态，选择干涉法或纹影法来获得流场的分布 图像，并用成像器件对获得的图像进行采集。若激光器沉积的能量密度大， 则热气团中密度分布梯度大，宜用纹影法来获得腔内的流场分布。反之， 则可以采用马赫泽德干涉法来对腔内密度分布图像进行记录。图像的采集 可以通过配备增强型电荷耦合成像器件(ICCD)来完成，将成像于毛玻璃 上的图像进行记录。其中ICCD采用放电瞬间产生的电磁脉冲干扰作为同 步触发信号，通过ICCD控制器进行触发信号延时，得到一组精确的延时 序列信号，通过该延时序列控制ICCD在放电后不同时刻进行采集，获得 激光器腔内流场分布的时序图像。

(2)利用数字图像处理方法进行图像预处理：

由于光束不均匀，及外界干扰等因素，会使获得的图像有一定的背景 噪声。通过对获得的图像进行平滑和去噪处理，可以获得较为均匀的条纹 分布，进而采用二值化和细化处理，获得各亮条纹的中心线。

(3)获得热气团的中心位置：

采集的图像条纹经细化后保持基本特征不变，仍然存在一个对称中心， 即为整个热气团的中心线。对上述细化的图像进行中心线提取，得到热气 团的中心线位置。干涉法得到的图像进行图像预处理后，得到的热气团中 心线位置不能直接提取，可以通过提取邻近中心线的条纹的中心线，并对 它们进行平均，从而得到热气团的中心线。纹影法获得的图像进行图像预 处理后，可以直接将热气团的中心线提取。采用上述方法，对多帧时序图 像进行处理，可以得到放电发生后不同时刻热气团中心位置。热气团的中 心线位置由像素点构成，每个像素点的坐标从图像上可以直接获取，并根 据每一个像素的实际大小，可以将其与实际尺寸对应起来。坐标系以某一 电极顶点为原点，以放电激励方向为横坐标的方向，横坐标的值表示离该 电极顶点的距离，以流场流动方向为纵坐标方向，纵坐标的值表示热气团 中心线沿着流场流动方向偏离两电极顶点连线的距离。

(4)采用最小二乘法进行数据分析处理

由于热气团中心线位置随着流场循环流动而改变，即对同一横坐标的 点，时间改变Δt，纵坐标的值改变Δy，则此横坐标位置对应的流场移动 速度v＝Δy/Δt。这里采用一阶线性拟合方程y＝y₀+vt来对每一横坐标对应 的流场速度进行估计，利用最小二乘法进行求解速度v，其中t为时间(以 放电瞬间作为时间零点)，y为时刻t对应的中心线的纵坐标位置，v为流 场速度，y₀为初始时刻(t＝0)热气团中心线位置的纵坐标值(y₀为计算 值，因为t＝0时刻热气团并未形成)。将前面处理得到的多组不同时刻的热 气团的中心位置的坐标代入上述方程，即可得到任意横坐标位置对应的未 知参数y₀和v。为了获得精确的结果，测量次数应大于10组，从而减少噪 声干扰及速度不均匀等因素产生的误差。

(5)获得流场速度的分布图

对每个横坐标位置对应的纵坐标都采用上述一阶线性拟合方程，得到 不同横坐标位置的流场平均速度，从而得到两电极顶点之间的流场的速度 分布，该速度分布反映了激光器腔内气体循环的速度的一维分布，利用计 算机可将获得的整个流场速度信息以图像形式显示在计算机屏幕上。

实例：

以下结合在脉冲气体激光器中，气体配比为N2∶He＝1∶115，总气压 500mbar，放电激励电压为20KV工作条件下，利用配备增强型电荷耦合成 像器件(ICCD)的马赫泽德干涉装置系统对上述流场速度分布进行测量。 通过该实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述：

(1)在上述工作条件中，由于主要气体成分为He，其传热性较好， 因此在热气团的形成过程中，由于热沉积效应造成的密度梯度不会太大， 因此可以采用马赫泽德干涉装置来进行测量。将双光束干涉产生的图像成 像于毛玻璃，利用ICCD对成像于毛玻璃片上的干涉图像进行记录。由于 平行光束透过成像器件的保护窗口，容易产生背景干涉条纹，而通过毛玻 璃成像后的光变成散射光，这样光束透过该成像器件的保护窗口后就不会 发生干涉。通过成像的办法将毛玻璃片上的干涉条纹进行采集，能够消除 背景干涉条纹的影响，提高干涉条纹的对比度。在激光器工作之前，调整 马赫泽德装置中镜片的位置，使成像于毛玻璃的只有一级干涉条纹，获得 均匀的光斑。放电发生后，其中一路光的光程发生变化，在毛玻璃上会获 得一系列干涉条纹，这些干涉条纹分布与腔内气体密度分布一一对应。通 过对这些干涉图像的时序记录，就可以得到腔内流场的演化和发展过程。

(2)本实例利用ICCD来对干涉条纹进行记录。ICCD的曝光时间决 定了获得的干涉条纹的亮度，其最小曝光时间可达数纳秒。由于本实例中 毛玻璃的使用，会降低光强的亮度，因此曝光时间较长，设为1μs。但这 不会影响所测量的平均速度的结果。ICCD通过放电瞬间产生的电磁脉冲作 为同步触发信号，而ICCD控制器可以将触发信号进行精确的时序延时。 ICCD控制器可以对时序延时进行精确的调节，由于这里该激光器流场速度 较小，因此取50μs为时序延时的增长量(即相邻两帧的时间间隔为50μs)。 通过该延时序列控制ICCD在放电后不同时刻进行采集，获得放电后不同 时刻流场内密度分布的图像。由于ICCD的读取速度较慢，一幅图像读取 时间需要1s左右，因此不能在同一个脉冲内对图像的不同时刻进行记录， 每个脉冲只能获得一幅干涉图像，通过多个脉冲的组合，能将一个脉冲的 流场变化过程重现出来。图5为截取的一组流场的时序干涉图样中的一部 分，其中(a)(b)(c)(d)为截取的四个不同时刻的干涉图像，它们分别 为脉冲放电后0us，100us，200us，300us时刻所采集得到的图像。

(3)由于获得的干涉图像有较强的背景噪声，使得某一级亮条纹不是 很均匀，这会影响后续细化过程，因此先将得到的图像进行平滑和去噪处 理，获得较为均匀的条纹分布。进而对图像进行二值化及细化处理得到每 一级干涉条纹的中心线。

(4)如图5(b)中所示，该干涉条纹的对称中心比较紊乱，因此热气 团的中心不能直接通过条纹的细化得到。但是可以看到条纹是以中心区域 对称分布的。为了得到热气团的中心线，可以将图中+1级和-1级干涉条纹 的中心线进行平均，而+1级和-1级干涉条纹的中心线可以通过数字图像处 理方法进行提取，虽然热气团在随流场流动会有个向外扩张的过程，但热 扩散是对称分布的，它的基本特征保持不变，固采用平均+1级和-1级干涉 条纹的中心线的方法得到整个热气团的中心线。如图6所示为通过数字图 像处理的方法得到放电后不同时刻的热气团的中心线，其中横坐标值为图5 中横轴的像素坐标，纵坐标值为对应的热气团中心线位置像素坐标，通过 测量电极间距可以将这些像素坐标转化为图7中的空间坐标。图6中分别 为放电激励发生后100us到500us间的不同时刻中心线的位置，从中可以 清楚的看到条纹中心线的漂移。

(5)由于速度的流动不是均匀流动，而是有一定扰动，另外空气扰动 等因素带来的系统误差的影响不可避免，这些因素都会造成中心线的非均 匀向上移动。为了提高测量的精度，采取最小二乘法对该测量得到的数据 进行一阶线性拟合，从而减少系统误差的影响。通过一阶线性方程y＝y₀+vt 进行线性拟合，其中y₀为设定的初始时刻的中心线位置，v为中心线移动的 速度。将获得的多组不同时刻的热气团的中心位置坐标代入上述方程，利 用最小二乘法得到正规方程组，从而解出未知参数y₀和v。由于利用图像 处理方法得到的是整个热气团的中心线分布，因此求解出的速度v是整个 放电区两电极顶点之间的一维速度分布。

(6)通过对上述中心线上各个像素点的线性拟合可以计算出它们对应 的速度，从而得到沿着放电激励方向流场的一维速度分布，并将获得的整 个流场速度信息以图像形式显示在计算机屏幕上。如图7所示为实验得到 的流场的速度分布图，其中横坐标的值为数据点与阴极电极顶点之间的距 离，纵坐标的值为对应流场速度。由于放电时在两电极附近会产生紊乱的 流场，不会产生干涉条纹，因此无法测量它们的速度，但这不影响主放电 区域中心流场速度的测量。实验证明该方法能够得到较为精确的数据，使 误差控制在可接受范围之内。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发 明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是 采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入 本发明保护的范围。