[实用新型]一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置

说明书

本实用新型一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置，装置包括待测流场、飞秒激光器、高压电源、聚焦透镜、单反相机和计算机，所述飞秒激光器出射的激光经所述聚焦透镜形成光丝后入射至待测流场，所述高压电源引出的正、负电极放置于待测流场内的光丝两端，所述单反相机放置于待测流场一侧用于拍摄发光信号，所述计算机用以搭载相应软件进行照片处理最终得到待测流场速度。本实用新型解决了一些光学测量方法测量时信号较弱，测量尺度较小等问题；将测量信号强度增强上千倍，提高了本技术的测量范围，进而可以应用在一些复杂的流场情况。

技术领域

本实用新型属于流场、高压放电及激光技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光成丝引导高压放电测量流场速度的技术。

背景技术

速度是描述流场的重要参量，速度的测量方式大体可以分为两种：传统的速度测量方法主要有皮托管测速[1]和热线风速仪[2]两种方式。此类方法需将探头置于被测流场当中，是典型的接触式测量，接触式测量的主要问题是会对流场产生干扰，其次在高温等复杂环境下很难应用。随着激光技术的发展，基于激光的非接触式测速技术得到快速发展。激光测试技术可以应用到很多特殊的环境中，例如，燃烧火焰场，剧烈化学反应气流及高强度湍流等。

分子示踪测速(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)[3]是常用的非侵入式激光测速技术，MTV技术通常需在流场中引入种子分子，或者利用两束激光，一束激光标记示踪分子，另一束激光读取一定时间间隔后被标记分子，通过计算一定时间内示踪分子位移来获得速度信息。这种流场测速方式需要两套激光光源，系统较为复杂。近年来，飞秒激光电子激发标记技术(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging，FLEET)[4]发展起来，FLEET可以仅用一束激光来实现标记和读取的功能。同样的，FLEET技术也存在一些问题，分子被激发后的荧光信号太弱，并且持续时间较短，使得FLEET技术需要使用带有增强器的ICCD相机才能拍摄到荧光信号，而且荧光信号持续时间短导致该技术只适用于高速流场。

在大气压下，高压放电产生的等离子体可以替换被激光标记激发的分子，应用在示踪测速领域[5]。但是放电的时间和空间位置不能够确定，所以仅依靠放电来进行测速受到很大的限制。本实用新型提出一种新型测速方式：飞秒激光引导高压放电测速方法。飞秒激光自聚焦效应可产生直径在百微米量级的光丝，光丝可使其路径上的空气电离，进而形成一条弱等离子通道。当高压电极靠近光丝时，即可引导高压电沿成丝路径放电，产生长度长、信号强的等离子体通道。通过不带增强器的普通相机即可记录等离子体通道的位移，并推导出速度信息。

[1]科尔曼·拉雷尔·弗朗西斯；凯尔勒·梅尔文·拉尔夫.皮托管[P].中国专利:CN86300285,1987-02-10.

[2]刘祖唐,赵敏生,李福田.热膜探针及其率定设备[P].江苏：CN85205583,1986-11-26.

[3]Mainyu E A,láser.Molecular Tagging Velocimetry[M].FlowVisualization:Techniques and Examples.2005:73-92.

[4]Michael J B,Edwards M R,Dogariu A,et al.Femtosecond laserelectronic excitation tagging for quantitative velocity imaging in air[J].Applied Optics,2011,50(26):5158-62.

[5]Sun Z W,Zhu J J,Li Z S,et al.Optical diagnostics of a gliding arc.[J].Optics Express,2013,21(5):6028-44.

实用新型内容