專利名稱：一種前向散射激光測速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光測速裝置，特別涉及一種前向散射激光測速裝置。
背景技術(shù)：
由于激光測速不會影響微粒的運動狀態(tài)，因此目前對微米量級的微小顆粒進行速度測量的方法主要采用激光測速。激光測速主要有多普勒測速和散射測速兩種方式。
參照文獻1《近代光學(xué)測試技術(shù)》，楊國光主編，浙江大學(xué)出版社，2002，第443頁，多普勒測速方式是指將一定頻率的激光照射到微粒上，由于微粒的運動使得激光的散射光頻率發(fā)生了變化，測量散射光和入射光的頻率差，通過計算就可以獲得微粒的運動速度。但是，目前多普勒測速存在的缺點是測量微粒速度不能超過2000m/s，而且該技術(shù)難度較大、造價高，推廣應(yīng)用也困難。
參照文獻2Single-Particle Laser Ablation Time-of-Flight MassSpectrometer(Dan Imre & Alla Zelenyuk，2001)，散射測速是指在垂直于微粒的運動方向上，間隔一定距離放置兩束激光；當(dāng)微粒垂直穿過兩束激光時，產(chǎn)生兩次散射，測量兩次散射的時間間隔和兩束激光之間的距離，通過計算就可以獲得微粒運動的速度。雖然與多普勒測速相比，散射測速方法技術(shù)難度較小、造價低，但是目前的散射測速方式主要是測量微粒的側(cè)向散射光，其缺點是靈敏度低、信號弱、不易測量直徑很小的高速微粒；而且，如果微粒沒有按照預(yù)定路線飛行，就可能測不到散射或只測到一次散射，造成測速失敗。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的之一是使微粒不易逃脫光束的照射而形成散射，提高速度測量的成功率；本實用新型的目的之二是獲取微弱散射光，將探測靈敏度提高2～3個量級。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案一種前向散射激光測速裝置，包括至少兩個激光發(fā)射器、至少兩個接收探測器、一電子信號處理器和一提供微粒運動空間的密封管道；在所述管道兩側(cè)分別安裝兩個所述激光發(fā)射器及兩個所述接收探測器，并且兩個所述激光發(fā)射器分別正對兩個所述接收探測器，兩兩共軸；兩個所述接收探測器與電子信號處理器連接；微粒在所述管道內(nèi)運動；在上述技術(shù)方案中，所述激光發(fā)射器發(fā)出的光束截面長而扁，成長條狀；在上述技術(shù)方案中，所述激光發(fā)射器包括一個激光器、一凹柱面鏡、一凸柱面鏡和一光闌順序共軸放置在一個遮光筒內(nèi)，只留發(fā)射端出光；其中，所述激光器的光束截面呈圓形；所述凹柱面鏡使得激光束縱向擴束、橫向保持不變，擴束后的光束縱向發(fā)散而橫向平行，其光束截面呈很扁的橢圓狀；所述凸柱面鏡使擴束后的激光束縱向匯聚成平行光，橫向仍保持平行，其光束截面也呈很扁的橢圓狀；所述光闌中間有一矩形通光孔，截面為橢圓的平行激光束經(jīng)所述光闌后發(fā)出，此激光束是平行光，其截面呈扁矩形；在上述技術(shù)方案中，所述激光發(fā)射器的最寬的光束側(cè)面垂直于所述密封管道的中軸線。
在上述技術(shù)方案中，所述接收探測器包括一個凸透鏡、一個光吸收器、一個光電探測器按順序安置在一個遮光筒內(nèi)，只留接收端進光。
在上述技術(shù)方案中，所述光吸收器放置在所述凸透鏡的焦點附近。
在上述技術(shù)方案中，所述光吸收器放置在所述凸透鏡的焦點處。
本實用新型的工作過程為當(dāng)微粒在密封管道中飛行時，首先進入第一束激光產(chǎn)生第一次微粒散射，經(jīng)一定距離后，進入第二束激光產(chǎn)生第二次散射；兩次散射光信號分別經(jīng)接收探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，然后送入電子信號處理器；電子信號處理器首先測量出兩個信號的時間間隔t，然后根據(jù)兩激光束之間的距離L，按照v＝L/t計算獲得微粒的飛行速度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是1.激光束采用單方向擴束，使得光束截面長而扁，呈長條狀，對微粒而言，形成一道激光墻，一方面，微粒不易逃脫光束的照射而形成散射，保證速度測量的成功率，另一方面，單方向擴束可以不過多降低光束的能量密度，保證散射光具有足夠的強度以利于信號探測。
2.探測方式采用前向散射探測，根據(jù)入射激光和散射光發(fā)散度的不同，有效的吸收掉強入射光，獲取微弱散射光，將探測靈敏度提高2～3個量級，使得該裝置可以測量尺度在微米量級、速度可以達到每秒十公里以上的微粒運動速度。


圖1為微粒的激光散射特性示意圖；其中101表示激光束102表示第一微粒、103表示不同方向上第一微粒的散射強度曲線；104表示第二微粒、105表示不同方向上第二微粒的散射強度曲線；106表示第三微粒、107表示不同方向上第三微粒的散射強度曲線；圖2為本實用新型的前向散射激光測速裝置的結(jié)構(gòu)圖；其中201表示第一激光發(fā)射器、202表示第一接收探測器；203表示第二激光發(fā)射器、204表示第二接收探測器；205表示電子信號處理器；206表示第一發(fā)射激光束、207表示第二發(fā)射激光束；208表示第一次微粒散射、209表示第二次微粒散射；210表示微粒飛行路線、211表示管道；圖3為本實用新型中的激光發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖；其中301表示激光器、302表示凹柱面鏡、303表示凸柱面鏡；304表示光闌、305表示激光發(fā)射器遮光筒；306表示第一光束截面；307表示第二光束截面；308表示第三光束截面、309表示第四光束截面；圖4為本實用新型中的接收探測器結(jié)構(gòu)圖；其中401表示凸透鏡、402表示光吸收器；403表示光電探測器、404表示接收器遮光筒。
具體實施方式
本實用新型主要體現(xiàn)在兩個方面1)在激光發(fā)射器方面光束采用單方向擴束，使得光束截面長而扁，呈長條狀，對微粒而言，形成一道激光墻，一方面，微粒不易逃脫光束的照射而形成散射，保證了速度測量的成功率，另一方面，單方向擴束可以不過多降低光束的能量密度，保證散射光具有足夠的強度以利于信號探測；2)在接收探測器方面采用前向散射探測，根據(jù)入射激光和散射光發(fā)散度的不同，有效的吸收掉強入射光，獲取微弱散射光，將探測靈敏度提高2～3個量級。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述通常，微粒對激光束的散射是各向異性的，對球形微粒來說，其散射強度以激光的傳播方向呈軸對稱分布，不同尺度的微粒對激光的散射在不同方向上強度分布也各不相同。如圖1所示，激光束101由左向右傳播，通常用q來對微粒大小進行分類，q＝2πr/λ(r微粒半徑，λ激光波長)，當(dāng)q＜＜1時，如第一微粒102在不同方向的散射強度曲線103，其前向和后向散射強度稍大于側(cè)向散射強度；當(dāng)q≈1時，如第二微粒104在不同方向的散射強度曲線105，其前向散射是后向和側(cè)向散射強度100倍以上；當(dāng)q＞＞1時，如第三微粒106在不同方向的散射強度曲線107，其各向散射強度呈現(xiàn)復(fù)雜的花樣，但從總體效果看，前向散射是后向和側(cè)向散射強度1000倍以上。由此可見，如采用可見光(波長范圍400～700nm)探測微米尺度的微粒散射時，滿足q＞＞1的關(guān)系，因此采用前向散射探測將會大大提高探測靈敏度，但最關(guān)鍵的問題是采用前向散射探測必須解決好回避強入射激光的問題。對于這一問題的解決，后面將詳述。
本實施例提供的前向散射激光測速裝置，如圖2所示，包括兩個激光發(fā)射器201和203、兩個接收探測器202和204、電子信號處理器205以及微粒飛行的密封管道211。在管道211兩側(cè)分別安裝激光發(fā)射器201和203及接收探測器202和204，且激光發(fā)射器201和203分別正對接收探測器202和204，兩兩共軸，而且發(fā)射激光束206和207的較寬的側(cè)面垂直于微粒飛行路線210。兩個激光發(fā)射器201和203之間的距離為20cm；密封管道211的直徑為10cm，長度大于20cm。密封管道211還可以是其它形狀，比如長方體形，本實施例采用圓筒形。
激光發(fā)射器201和203的結(jié)構(gòu)如圖3所示，激光器301所發(fā)出平行激光，其光束截面306呈圓形，經(jīng)凹柱面鏡302縱向擴束、橫向保持不變，擴束后的光束縱向發(fā)散而橫向平行，其光束截面307呈很扁的橢圓狀，再經(jīng)凸柱面鏡303縱向匯聚成平行光，橫向仍保持平行，其光束截面308也呈很扁的橢圓狀，光闌304中間有一矩形通光孔，截面為橢圓的平行激光束經(jīng)光闌304后，輸出所需要的激光束，此激光束是平行光，但其截面309呈扁矩形。遮光筒305將激光器301、凹柱面鏡302、凸柱面鏡303和光闌304按順序避光密封，只留發(fā)射端出光。激光發(fā)射器201的發(fā)射功率為60mW，激光束206和207的矩形截面的長度為4cm，寬度為3mm。在具體應(yīng)用中，激光束206和207的矩形截面的長度和寬度之比及其數(shù)值與激光器發(fā)射功率、接收探測器202和204的響應(yīng)時間、待測微粒的大小和速度等因素有關(guān)，不限于本實施例給出的參數(shù)。
接收探測器202和204的結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)微粒飛入激光束時，產(chǎn)生激光散射。散射光的方向是以微粒為中心向各個方向呈輻射狀散射，當(dāng)然，各個方向的散射強度不同，散射光的強度曲線沿激光的傳播方向呈軸對稱分布，如圖1所示。在凸透鏡401的匯聚作用下，由激光發(fā)射器201或203發(fā)出的平行激光匯聚到焦點位置，被處于焦點位置的光吸收器402吸收掉，這一過程解決了回避強入射激光的問題；而發(fā)散的微粒散射光經(jīng)凸透鏡401匯聚后，光束稍微收縮，除一小部分被光吸收器402遮擋住外，大部分散射光進入光電探測器403，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而實現(xiàn)前向散射探測。遮光筒404將凸透鏡401、光吸收器402、光電探測器403按順序避光密封，只留接收端進光。光探測器的響應(yīng)時間為8-10ns。
電子信號處理器205由常規(guī)電路組成，接收兩個接收探測器202和204分別輸出的電信號，并測量兩個電信號的時間間隔t，然后根據(jù)激光束206和207之間的距離L＝20cm，按照v＝L/t計算微粒的飛行速度，并通過一顯示模塊顯示出結(jié)果。
本實施例的工作過程為當(dāng)微粒在管道211內(nèi)沿飛行路線210飛行時，首先進入激光束206產(chǎn)生第一次微粒散射208，經(jīng)一定距離后，進入激光束207產(chǎn)生第二次散射209，兩次散射光信號分別經(jīng)接收探測器202和204接收并轉(zhuǎn)換為電信號，然后送入電子信號處理器205，電子信號處理器測量、計算并顯示微粒的飛行速度。
本實施例測量微粒直徑大小為50～1000um，微粒速度范圍8～20km/s。
權(quán)利要求1.一種前向散射激光測速裝置，包括至少兩個激光發(fā)射器、至少兩個接收探測器、一電子信號處理器和一提供微粒運動空間的密封管道，兩個所述接收探測器與電子信號處理器連接；其特征在于，在所述管道兩側(cè)分別安裝兩個所述激光發(fā)射器及兩個所述接收探測器，并且兩個所述激光發(fā)射器分別正對兩個所述接收探測器，每個所述激光發(fā)射器與對應(yīng)的所述接收探測器共軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射器發(fā)出的光束截面呈條形，其中條形光束截面最寬的光束側(cè)面垂直于所述密封管道的中軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述接收探測器包括一個凸透鏡、一個光吸收器、一個光電探測器，并按順序安置在一個遮光筒內(nèi)，只留接收端進光。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射器包括一個光束截面呈圓形激光器、一個使得激光束縱向擴束而橫向保持不變的凹柱面鏡、一個使擴束后的激光束縱向匯聚成平行光而橫向仍保持平行的凸柱面鏡和一個光闌，并且按順序共軸放置在一個遮光筒內(nèi)，只留發(fā)射端出光。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述光吸收器放置在所述凸透鏡的焦點處。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述光闌中間有一矩形通光孔。
7.一種前向散射激光測速裝置，包括至少兩個激光發(fā)射器、至少兩個接收探測器、一電子信號處理器和一提供微粒運動空間的密封管道，兩個所述接收探測器與電子信號處理器連接；其特征在于，在所述管道兩側(cè)分別安裝兩個所述激光發(fā)射器及兩個所述接收探測器，并且兩個所述激光發(fā)射器分別正對兩個所述接收探測器，每個所述激光發(fā)射器與對應(yīng)的所述接收探測器共軸；所述接收探測器包括一個凸透鏡、一個光吸收器、一個光電探測器按順序安置在一個遮光筒內(nèi)，只留接收端進光；所述激光發(fā)射器包括一個光束截面呈圓形激光器、一個使得激光束縱向擴束而橫向保持不變的凹柱面鏡、一個使擴束后的激光束縱向匯聚成平行光而橫向仍保持平行的凸柱面鏡順序共軸放置在一個遮光筒內(nèi)，只留發(fā)射端出光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述光吸收器放置在所述凸透鏡的焦點處。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的前向散射激光測速裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射器還包括一中間有矩形通光孔的光闌。
專利摘要本實用新型公開了一種前向散射激光測速裝置。該裝置包括兩個激光發(fā)射器、兩個接收探測器、電子信號處理器和管道。其中，激光發(fā)射器輸出截面長條形的平行激光束；接收探測器將照射激光束匯聚到焦點由光吸收器吸收掉，將散射光匯聚后輸入到光電探測器；激光發(fā)射器和接收探測器兩兩正對同軸安裝。其優(yōu)點在于既保證激光具有一定的能量密度，又保證被測微粒不易逃脫光束的照射，同時，接收探測器采用前向散射探測，將探測靈敏度提高2～3個量級。
文檔編號G01P3/36GK2812008SQ20052010970
公開日2006年8月30日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者韓建偉, 李小銀, 李發(fā)泉, 張振龍, 黃建國, 黃治 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心