[发明专利]脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及方法，特别是配合马赫泽德干涉系统来对横流风机叶轮造成的微小扰动的测量装置及其测量方法，该方法特别适用于对脉冲气体激光器腔内横流风机叶轮的微小扰动的测量。

背景技术

采用脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器如CO₂气体激光器和准分子激光器等在工业加工、集成电路光刻和激光医疗和等领域获得了广泛的应用。脉冲气体激光器中主放电区域工作介质的均匀性对放电均匀性及远场光束质量有重要影响，因此需要循环系统来使放电区的工作介质不断更新，从而保证工作介质的均匀性。气体的循环流动由风机来驱动，风机种类主要有横流风机、轴流风机和离心风机。伴随着对重复频率指标的要求增高，对循环系统中风机的转速要求也在不断提高，而在高流速条件下，轴流风机和离心风机的成本较高，而横流风机不仅能在高气压下获得较高的流速，且横流风机纵横与放电电极结构接近，使整个激光器结构紧凑。如图1所示为脉冲气体激光器的气体循环流动系统剖面图，主要包括主放电电极101，预电离电极102，换热器103，横流风机104及其叶轮105。脉冲气体激光器中的气体循环流动主要由横流风机104来完成，横流风机104转动后由于转速不均匀性及其叶轮的结构等因素会对被测流场区域(即主放电区域)100的流场均匀性造成影响。特别在高重复频率实验条件下，风机工作时产生的流场不均匀性的影响会增加，风机扇叶交错在流场中会产生周期性的扰动，这些扰动虽然较小，但在应用于光刻的准分子激光器中，对光源的稳定性要求极高，因此需要不断对叶轮的结构进行优化，减小流场的扰动，同样也需要一种测量方法来对风机工作时的均匀性进行测量，特别是风机叶轮交错在流场中产生的扰动，这不仅是评估整个激光器系统稳定性的一个重要参数，并能对风机叶轮结构的不断改进提供实验依据。众所周之，马赫泽德干涉仪是一种大型的光学测量仪器，适用于研究气体密度迅速变化的状态，如在风洞中实验飞机模型时产生的空气涡流和爆炸过程中的冲击波等。但传统的马赫泽德装置不能直接用于测量脉冲气体激光器中风机的扰动，因为风机转动过程产生的扰动是气体密度缓变过程，整个观测区域内的密度变化不大，无法用CCD相机等成像方法获得有效的信息。

发明内容

本发明目的是提供一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置及其测量方法，该装置及其测量方法能够简单而准确地测量风机工作时带来的扰动。

本发明提供的一种脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的测量装置，其特征在于，它包括探测激光光源、扩束系统、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、数据采集器和处理器；

第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜和第二反射镜共同构成马赫泽德干涉系统，第一反射镜及第二分光镜分别用于放置在被测流场区域的两端；探测激光光源、扩束系统和第一分光镜依次位于同一光路上，光电探测器位于第二分光镜的出射光路上，数据采集器与光电探测器电连接，处理器与数据采集器电连接。

利用上述测量装置测量脉冲气体激光器横流风机叶轮扰动的方法，其特征在于：

第1步使探测光束覆盖激光器的整个观测窗口，调整马赫泽德干涉装置，在光电探测器的表面获得一个均匀光斑；

第2步控制数据采样频率f_s和采样样品数N，使采样频率f_s大于两倍的被测扰动信号频率，对光电探测器产生的信号进行记录；

第3步处理器对接收的信号进行滤波处理，再进行快速傅里叶变换处理，将时域的周期性扰动信号转换为频域的信号，得到信号图谱，横坐标为对应周期扰动信号的频率，纵坐标为对应频率下扰动信号的幅值大小；

第4步在信号图谱中，通过频域信号的峰值来确定风机叶轮的扰动，并确定扰动的频率和大小，该扰动的幅值与原点的幅值之比即为被测风机叶轮的扰动的相对大小。

本发明主要是针对影响脉冲气体激光器横流风机叶轮的关键因素的微小扰动进行测量，它基于马赫泽德干涉原理实现对脉冲气体激光器风机扰动测量，它通过马赫泽德干涉系统获得无限等厚干涉条纹的亮光斑，采用有限光敏面大小的探测器来对获得的光强进行记录；由于风机工作时不同扇叶交替带来的扰动是具有周期性的，造成的折射率的变化也是周期性的，该周期性的扰动会使经历流场的探测光光强发生周期性的波动，光电探测器实时探测的功能能够获得这种扰动信息，控制数据采集卡控制数据的采样频率和采样数对信息进行实时记录，处理器对该数据进行处理并进行显示，从处理后的信息可以容易的获得脉冲气体激光器风机叶轮扰动的信息。