[发明专利]一种测量重频激光器腔内循环气体流动速度的方法

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。