一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，包括沿飛秒脈沖激光入射方向放置的分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)；分光系統(tǒng)將入射飛秒脈沖激光分成具有不同波長和偏振特征，時間間隔可調(diào)的三束光脈沖，三束光脈沖通過復(fù)用系統(tǒng)分別記錄不同時刻噴霧流場近場區(qū)的信息，并經(jīng)過光克爾門選通成像系統(tǒng)分別成像。利用光克爾門選通彈道光成像系統(tǒng)可以有效排除散射光的影響，提高成像信噪比；通過比較成像系統(tǒng)所記錄的三幅流場圖中單個粒子軌跡可計算粒子的速度和加速度信息。
【專利說明】一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超高速流場高分辨成像與測量領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在液體火箭發(fā)動機、汽油機、柴油機等內(nèi)燃機中，噴注器對燃料進行霧化并與周圍的氧化劑混合，其霧化細度和混合均勻性直接影響到內(nèi)燃機的燃燒性能。燃油的霧化過程和噴射特性受噴射壓力、燃油粘度、氣缸內(nèi)壓力、溫度、氣流運動等外在因素以及噴油嘴結(jié)構(gòu)、燃燒室形狀等內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的影響。通過研究燃料噴霧在燃燒室空間的液滴分布、速度分布、流場強度及混合比，可以了解其在燃燒室內(nèi)的釋放程度和向燃燒室傳遞的熱流，對于發(fā)展新的燃燒理論和新一代發(fā)動機技術(shù)，具有重要意義。因此，發(fā)展可用于超高速射流場的觀測技術(shù)，可以加深對高速射流破裂霧化動力學(xué)過程的研究，為火箭發(fā)動機等引擎設(shè)計提供重要的實驗數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
[0003]相對于普通流場，火箭發(fā)動機等燃料噴霧超高速流場具有如下特點:(I)在近場區(qū)，射流湍流強度大、液滴密度最高；(2)燃燒屬于湍流燃燒，燃燒過程中存在高速、劇烈的氣流運動和各組分間的強烈的擴散運動。因此，火箭發(fā)動機等超高速噴霧流場近場區(qū)和高溫、高壓下內(nèi)燃機燃燒過程的觀測中，常規(guī)流場測量方法如陰影法、數(shù)字全息法、LIF法等光學(xué)成像及診斷技術(shù)存在如下有待解決的問題:(I)在近場區(qū)，用于成像的光子大部分被濃密液滴散射，普通的流場光學(xué)觀測技術(shù)無法適用于此區(qū)域的診斷；(2)測量超高速流場中粒子運動速度及加速度時，成像系統(tǒng)的幀頻需要達到MHz或數(shù)十MHz量級，因此，提高成像系統(tǒng)的幀頻及保證幀頻可調(diào)是測量超高速噴霧場中液相和氣相界面之間擴散速度和加速度的關(guān)鍵，獲得這些數(shù)據(jù)是分析液核在外力作用下破裂過程的前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，本發(fā)明能夠?qū)Τ咚賴婌F流場的近場區(qū)成像，同時還能實現(xiàn)超短幀間隔的彈道光成像，使彈道光成像技術(shù)的功能擴展至能夠測量超高速流場中粒子運動速度和加速度。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括沿飛秒脈沖激光入射方向依次放置的分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)；復(fù)用系統(tǒng)包括寬帶分束鏡，寬帶分束鏡的反光路徑中依次設(shè)有第三雙色鏡、第三偏振分束棱鏡以及第五反射鏡，且發(fā)動機噴霧流場設(shè)于寬帶分束鏡與第三雙色鏡之間；寬帶分束鏡的透光路徑中依次設(shè)有寬帶反射鏡、第四雙色鏡、第四偏振分束棱鏡以及第六反射鏡；分光系統(tǒng)用于將飛秒脈沖激光轉(zhuǎn)換成由倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光組成的具有納秒級時間間隔的脈沖串；復(fù)用系統(tǒng)用于使脈沖串中的倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光照射發(fā)動機噴霧流場同一位置以攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，并將倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光入射到光克爾門選通成像系統(tǒng)分別成像；比較成像系統(tǒng)用于比較光克爾門選通成像系統(tǒng)成像所得的三幅流場圖中單個粒子軌跡以計算單個粒子的速度和加
速度信息。
[0006]所述的脈沖串經(jīng)寬帶分束鏡分成兩束光，一束光作為開關(guān)光束被寬帶反射鏡反射，被反射的開關(guān)光束中的倍頻光經(jīng)第四雙色鏡反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)中光克爾門的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的垂直偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡透射、第四偏振分束棱鏡反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)中光克爾門的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的水平偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡透射、第四偏振分束棱鏡透射、第六反射鏡反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)中光克爾門的開啟和關(guān)閉；另一束光作為探測光束從發(fā)動機噴霧流場透射以使探測光束中的彈道光子攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，探測光束中的倍頻光被第三雙色鏡反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像；探測光束中的垂直偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡透射、第三偏振分束棱鏡反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像；探測光束中水平偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡透射、第三偏振分束棱鏡透射、第五反射鏡反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像。
[0007]所述的分光系統(tǒng)包括BBO倍頻晶體、第一、二雙色鏡，第一雙色鏡的反光路徑中依次設(shè)有第一光學(xué)延時器和第一反射鏡；第一雙色鏡的透光路徑中依次設(shè)有四分之一波片、第一偏振分束棱鏡、第二光學(xué)延時器以及第二偏振分束棱鏡；
[0008]飛秒脈沖激光經(jīng)BBO倍頻晶體產(chǎn)生基-倍頻混合光束，基-倍頻混合光束經(jīng)第一雙色鏡分離后得到倍頻光和基頻光；基頻光經(jīng)四分之一波片轉(zhuǎn)變成圓偏振光，再經(jīng)第一偏振分束棱鏡透射和反射，反射后得到的垂直偏振基頻光被第二光學(xué)延時器延時；透射后得到的水平偏振基頻光以及被延時的垂直偏振基頻光被第二偏振分束棱鏡合束；倍頻光經(jīng)第一光學(xué)延時器延時后被第一反射鏡反射，然后與合束的水平偏振基頻光和垂直偏振基頻光共同被第二雙色鏡合束成納秒時間間隔的脈沖串。
[0009]所述的第一、二光學(xué)延時器均采用結(jié)構(gòu)相同的折返型光學(xué)延時器，折返型光學(xué)延時器包括平行放置在旋轉(zhuǎn)臺上的兩個條形反射鏡、由步進電機控制的第一光學(xué)延時線以及第七、八反射鏡；入射光進入其中一個條形反射鏡并在兩個條形反射鏡之間進行多次反射，然后經(jīng)第七反射鏡反射、第一光學(xué)延時線延時、第八反射鏡反射后出射，兩個條形反射鏡的間距為3-20cm，旋轉(zhuǎn)臺與進入條形反射鏡的入射光垂直方向之間的夾角保持在5-45°。
[0010]所述的入射光在折返型光學(xué)延時器的光程均為30cm-7.5m。
[0011]所述的四分之一波片的光軸長軸方向與其入射光偏振方向夾角為45°。
[0012]所述的第一雙色鏡與四分之一波片之間設(shè)有用于反射基頻光的第二反射鏡，第二偏振分束棱鏡與第二雙色鏡之間依次設(shè)有用于反射水平偏振基頻光和垂直偏振基頻光的第三、四反射鏡。
[0013]所述的第一、二、三、四偏振分束棱鏡允許透射的偏振方向相同。
[0014]所述的光克爾門選通成像系統(tǒng)包括第一、二、三光克爾門以及第一、二、三CXD ;
[0015]第一光克爾門的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的倍頻光控制，探測光束中的倍頻光經(jīng)第一光克爾門處理后在第一 (XD上成像；
[0016]第二光克爾門的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的垂直偏振基頻光控制，探測光束中的垂直偏振基頻光經(jīng)第二光克爾門處理后在第二 CXD上成像；
[0017]第三光克爾門的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的水平偏振基頻光控制，探測光束中的水平偏振基頻光經(jīng)第三光克爾門處理后在第三CXD上成像；
[0018]所述的比較成像系統(tǒng)用于比較第一、二、三C⑶成像所得到的三幅流場圖中單個粒子軌跡以計算單個粒子的速度和加速度信息。
[0019]所述的第一、二、三光克爾門的結(jié)構(gòu)相同，且每個光克爾門包括沿探測光束方向依次放置的起偏器、第一聚焦透鏡、光克爾介質(zhì)、檢偏器，沿開關(guān)光束依次放置的半波片、第九反射鏡、由步進電機控制的第二光學(xué)延時線、第十反射鏡、第二聚焦透鏡、第十一反射鏡；
[0020]探測光束依次經(jīng)起偏器起偏、第一聚焦透鏡聚焦后入射到光克爾介質(zhì)；開關(guān)光束依次經(jīng)半波片起偏45°、第九反射鏡反射、第二光學(xué)延遲線延時、第十反射鏡反射、第二聚焦透鏡聚焦、第十一反射鏡反射后入射到光克爾介質(zhì)，且入射到光克爾介質(zhì)中的開關(guān)光束與入射到光克爾介質(zhì)中的探測光束的光斑重合以使開關(guān)光束控制光克爾門的開啟和關(guān)閉；經(jīng)過光克爾門后的探測光束轉(zhuǎn)變成僅攜帶著物體形貌信息的成像光束在CCD上成像。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0022]本發(fā)明在沿飛秒脈沖激光入射方向上依次設(shè)計了分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)。分光系統(tǒng)能夠?qū)w秒脈沖激光分成具有不同波長和偏振特性、可調(diào)時間間隔的三束光脈沖(即由倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振混合基頻光組成的納秒時間間隔的脈沖串)，接著三束光脈沖通過復(fù)用系統(tǒng)分別記錄噴霧流場流場的形貌信息，并經(jīng)過光克爾門選通成像系統(tǒng)分別成像。由于光克爾門選通成像系統(tǒng)可以提供亞皮秒量級的時間門，因此可以有效排除入射光經(jīng)噴霧流場散射后所攜帶的散射光，同時選通彈道光，提高成像的信噪比。另外，由于三束光脈沖具有納秒時間間隔，因此，三束光脈沖能夠分別記錄了不同時刻噴霧流場的信息，且通過比較成像系統(tǒng)所記錄的三幅流場圖中單個粒子軌跡就可以計算出粒子的速度和加速度信息，因此，本發(fā)明通過超快光克爾門選通彈道光技術(shù)實現(xiàn)對超高速噴霧流場的近場區(qū)成像，利用波分復(fù)用結(jié)合偏振復(fù)用的多脈沖曝光技術(shù)，實現(xiàn)超短幀間隔的彈道光成像，使彈道光成像技術(shù)的功能擴展至能夠測量超高速流場中粒子運動速度和加速度。`
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明折返型光學(xué)延時器結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明光克爾門結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0027]其中，1、BBO倍頻晶體,2、第一雙色鏡,3、第一折返型光學(xué)延時器,4、第一反射鏡，
5、第二反射鏡,6、四分之一波片,7、第一偏振分束棱鏡,8、第二折返型光學(xué)延時器,9、第二偏振分束棱鏡，10、第三反射鏡，11、第四反射鏡，12、第二雙色鏡，13、寬帶分束鏡，14、第三雙色鏡，15、第三偏振分束棱鏡，16、第五反射鏡，17、寬帶反射鏡，18、第四雙色鏡，19、第四偏振分束棱鏡，20、第六反射鏡，21、第一光克爾門，22第二光克爾門，23第三光克爾門，24、第一 (XD、25、第二 (XD，26、第三(XD，27、第一條形反射鏡，28、第二條形反射鏡，29、第一光學(xué)延時線，30、第七反射鏡，31、第八反射鏡，32、起偏器，33、光克爾介質(zhì)，34、檢偏器，35、半波片，36、第二光學(xué)延時線,37、第九反射鏡,38、第十反射鏡,39、第^ 反射鏡，40、第一聚焦透鏡，41、第二聚焦透鏡，42、噴頭?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明:
[0029]參見圖1-2，本發(fā)明超高速流場速度與加速度測量系統(tǒng)包括沿飛秒脈沖激光入射方向依次放置的分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)；本發(fā)明分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)的所有光學(xué)部件均安裝在光學(xué)防震平臺上，各個部件的平面均垂直于防震臺平面。
[0030]分光系統(tǒng)用于將飛秒脈沖激光轉(zhuǎn)換成由倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振混合基頻光組成的具有納秒級時間間隔的脈沖串；分光系統(tǒng)包括BBO倍頻晶體1、第一、二雙色鏡2，12，第一雙色鏡2的反光路徑中設(shè)有倍頻光延時部分，第一雙色鏡2的透光路徑中設(shè)有基頻光延時部分；且基頻光延時部分和倍頻光延時部分均設(shè)于第一、二雙色鏡2，12之間，倍頻光延時部分包括依次設(shè)于第一雙色鏡2反光路徑中的第一折返型光學(xué)延時器3和第一反射鏡4 ;基頻光延時部分包括設(shè)于第一雙色鏡2透光路徑中的第二反射鏡5、四分之一波片6、第一偏振分束棱鏡7、第二折返型光學(xué)延時器8、第二偏振分束棱鏡9、第三反射鏡10以及第四反射鏡11 ;本發(fā)明采用中心波長800nm、重復(fù)平率1kHz、水平偏振的飛秒脈沖激光作為光源，飛秒脈沖激光光源經(jīng)BBO倍頻晶體I產(chǎn)生基-倍頻混合光束，基-倍頻混合光束經(jīng)第一雙色鏡2分離后得到倍頻光和基頻光；基頻光經(jīng)第二反射鏡5反射、四分之一波片6轉(zhuǎn)變成圓偏振光，然后通過第一偏振分束棱鏡7透射和反射以使圓偏振光分束，反射后得到的垂直偏振基頻光被第二折返型光學(xué)延時器8延時；透射后得到的水平偏振基頻光以及被延時的垂直偏振基頻光被第二偏振分束棱鏡9合束，再經(jīng)過第三反射鏡10以及第四反射鏡11反射后進入第二雙色鏡12 ;倍頻光經(jīng)第一折返型光學(xué)延時器3延時后被第一反射鏡4反射，然后與合束的水平偏振基頻光和垂直偏振基頻光共同被第二雙色鏡12合束成納秒時間間隔的脈沖串，該脈沖串的時間間隔可以通過第一、二折返型光學(xué)延時器3，8進行調(diào)節(jié)，四分之一波片6的光軸長軸方向與其入射光偏振方向夾角為45°。
[0031]參見圖3，第一、二折返型光學(xué)延時器3，8的結(jié)構(gòu)相同包括固定在旋轉(zhuǎn)臺上的平行放置的第一條形反射鏡27和第二條形反射鏡28、由步進電機控制的第一光學(xué)延時線29、第七反射鏡30和第八反射鏡31組成；第一、二條形反射鏡27，28的間距在3-20cm之間可調(diào)，旋轉(zhuǎn)臺與第一條形反射鏡27或第二條形反射鏡的入射光垂直方向之間的夾角在5-45°之間可調(diào)，通過調(diào)整間距和夾角可控制入射光在反射鏡對之間的反射次數(shù)和光程，進而保證第一、二折返型光學(xué)延時器的光程均為30cm_7.5m之間可調(diào)。入射光進入第一條形反射鏡27或第二條形反射鏡28，并在第一條形反射鏡27和第二條形反射鏡28之間進行多次反射，然后經(jīng)第七反射鏡30反射、第一光學(xué)延時線29延時、第八反射鏡31反射后出射。若第一折返型光學(xué)延時器3工作時,倍頻光經(jīng)第八反射鏡31反射后進入第二雙色鏡12 ;若第二折返型光學(xué)延時器8工作時，垂直偏振基頻光經(jīng)第八反射鏡31反射后進入第二偏振分束鏡9。
[0032]復(fù)用系統(tǒng)用于使脈沖串中的倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光照射發(fā)動機噴霧流場同一位置以攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，并將倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光入射到光克爾門選通成像系統(tǒng)分別成像；復(fù)用系統(tǒng)包括設(shè)于脈沖串入口處的寬帶分束鏡13，寬帶分束鏡13的反光路徑中依次設(shè)有第三雙色鏡14、第三偏振分束棱鏡15、第五反射鏡16，且發(fā)動機噴霧流場設(shè)于寬帶分束鏡13與第三雙色鏡14之間，發(fā)動機噴霧流場能夠使探測光束通過時攜帶發(fā)動機噴霧流場圖像信息，發(fā)動機噴霧流場由噴嘴42噴射形成；寬帶分束鏡13的透光路徑中依次設(shè)有寬帶反射鏡17、第四雙色鏡18、第四偏振分束棱鏡19以及第六反射鏡20 ;光克爾門選通成像系統(tǒng)包括第一、二、三光克爾門21，22，23 以及第一、二、三 CCD24，25，26。
[0033]分光系統(tǒng)所形成的脈沖串經(jīng)過寬帶分束片13分成兩束，一束作為開關(guān)光束被寬帶反射鏡17反射，被反射的開關(guān)光束中的倍頻光經(jīng)第四雙色鏡18反射后控制第一光克爾門21的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的垂直偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡18透射、第四偏振分束棱鏡19反射后控制第二光克爾門22的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的水平偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡18透射、第四偏振分束棱鏡19透射、第六反射鏡20反射后控制第三光克爾門23的開啟和關(guān)閉；另一束光作為探測光束照射由噴頭42噴射形成的發(fā)動機噴霧流場以使透射后的探測光束中彈道光子攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，探測光束中的倍頻光被第三雙色鏡14反射后由第一光克爾門21進行處理，然后在第一 (XD24上成像；探測光束中垂直偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡14透射、第三偏振分束棱鏡15反射后由第二光克爾門22進行處理，然后在第二 CCD25上成像；探測光束中水平偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡14透射、第三偏振分束棱鏡15透射、第五反射鏡16反射后由第三光克爾門23進行處理，然后在第三(XD26上成像；其中，第一、二、三、四偏振分束棱鏡7，9，15，19允許透射的偏振方向相同。
[0034]參見圖4， 第一、二、三光克爾門21，22，23的結(jié)構(gòu)相同，每個光克爾門包括沿探測光束方向依次放置的起偏器32、第一聚焦透鏡40、光克爾介質(zhì)33和檢偏器34,沿開關(guān)光束依次放置的半波片35、第九反射鏡37、由步進電機控制的第二光學(xué)延時線36、第十反射鏡38、第二聚焦透鏡41、第十一反射鏡39。
[0035]攜帶流場形貌信息的探測光束依次經(jīng)過起偏器32起偏、第一聚焦透鏡40聚焦入射到光克爾介質(zhì)33內(nèi)部，然后通過位于其后的檢偏器34。開關(guān)光束依次經(jīng)過半波片35起偏45°、第九反射鏡37反射、第二光學(xué)延遲線36延時，然后經(jīng)第十反射鏡38反射，第二聚焦透鏡41聚焦、第十一反射鏡39反射后入射到光克爾介質(zhì)33，并與入射到光克爾介質(zhì)中的探測光束光斑重合以使開關(guān)光束控制光克爾門的開啟和關(guān)閉。通過調(diào)整第二光學(xué)延遲線36可控制開關(guān)光束與探測光束的光程差，使光克爾門在探測光束中的彈道光脈沖通過時開啟，在彈道光通過后立即關(guān)閉以阻止散射光通過。經(jīng)過光克爾門的探測光束轉(zhuǎn)變成僅攜帶著物體形貌信息的成像光束通過檢偏器34并在每個光克爾門后對應(yīng)的CCD上成像。
[0036]當工作的光克爾門為第一光克爾門21時，攜帶流場圖像信息的探測光束為倍頻光，對應(yīng)的CCD為第一 CCD24 ;當工作的光克爾門為第二光克爾門22時，攜帶流場圖像信息的探測光束為垂直偏振基頻光，對應(yīng)的CCD為第二 CCD25 ;當工作的光克爾門為第三光克爾們23時，攜帶流場圖像信息的探測光束為水平偏振基頻光，對應(yīng)的CCD為第三CCD26 ；
[0037]本發(fā)明針對火箭發(fā)動機噴霧等高速流場近場區(qū)測量中的困難，在傳統(tǒng)光克爾門選通彈道光成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于波分復(fù)用和偏振復(fù)用技術(shù)的單脈沖、高幀頻、多幀成像技術(shù)，適用于超高速流場測量的光克爾門選通彈道光成像技術(shù)，并使該技術(shù)的功能擴展到能夠測量超高速流場中的粒子速度和加速度。由于分光系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖串(三束光脈沖)是由倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振混合基頻光組成的，且具有納秒時間間隔；因此，分光系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖串中倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光入射到復(fù)用系統(tǒng)的時間不同，從而使得三路探測光攜帶了不同時刻流場的形貌信息。三束攜帶了不同時刻流場的形貌信息的光脈沖分別經(jīng)過光克爾門成像系統(tǒng)對其進行光克爾門選通彈道光成像，能夠獲得不同時刻的流場中粒子分布圖像；同時通過比較三幅流場圖中單個粒子軌跡計算出粒子的速度和加速度信息。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:包括沿飛秒脈沖激光入射方向依次放置的分光系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、光克爾門選通成像系統(tǒng)以及比較成像系統(tǒng)；復(fù)用系統(tǒng)包括寬帶分束鏡(13)，寬帶分束鏡(13)的反光路徑中依次設(shè)有第三雙色鏡(14)、第三偏振分束棱鏡(15)以及第五反射鏡(16)，且發(fā)動機噴霧流場設(shè)于寬帶分束鏡(13)與第三雙色鏡(14)之間；寬帶分束鏡(13)的透光路徑中依次設(shè)有寬帶反射鏡(17)、第四雙色鏡(18)、第四偏振分束棱鏡(19)以及第六反射鏡(20);分光系統(tǒng)用于將飛秒脈沖激光轉(zhuǎn)換成由倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光組成的具有納秒級時間間隔的脈沖串；復(fù)用系統(tǒng)用于使脈沖串中的倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光照射發(fā)動機噴霧流場同一位置以攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，并將倍頻光、水平偏振基頻光以及垂直偏振基頻光入射到光克爾門選通成像系統(tǒng)分別成像；比較成像系統(tǒng)用于比較光克爾門選通成像系統(tǒng)成像所得的三幅流場圖中單個粒子軌跡以計算單個粒子的速度和加速度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的脈沖串經(jīng)寬帶分束鏡(13)分成兩束光，一束光作為開關(guān)光束被寬帶反射鏡(17)反射，被反射的開關(guān)光束中的倍頻光經(jīng)第四雙色鏡(18)反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)中光克爾門的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的垂直偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡(18)透射、第四偏振分束棱鏡(19)反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)中光克爾門的開啟和關(guān)閉；被反射的開關(guān)光束中的水平偏振基頻光依次經(jīng)第四雙色鏡(18)透射、第四偏振分束棱鏡(19)透射、第六反射鏡(20)反射后控制光克爾門選通成像系統(tǒng)的中光克爾門的開啟和關(guān)閉；另一束光作為探測光束從發(fā)動機噴霧流場透射以使探測光束中的彈道光子攜帶發(fā)動機噴霧流場形貌信息，探測光束中的倍頻光被第三雙色鏡(14)反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像；探測光束中的垂直偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡(14)透射、第三偏振分束棱鏡(15)反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像；探測光束中水平偏振基頻光依次經(jīng)第三雙色鏡(14)透射、第三偏振分束棱鏡(15)透射、第五反射鏡(16)反射后進入光克爾門選通成像系統(tǒng)進行成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的分光系統(tǒng)包括BBO倍頻晶體(1)、第一、二雙色鏡(2，12 )，第一雙色鏡(2 )的反光路徑中依次設(shè)有第一光學(xué)延時器和第一反射鏡(4);第一雙色鏡(2)的透光路徑中依次設(shè)有四分之一波片(6)、第一偏振分束棱鏡(7)、第二光學(xué)延時器以及第二偏振分束棱鏡(9)； 飛秒脈沖激光經(jīng)BBO倍頻晶體(1)產(chǎn)生基-倍頻混合光束，基-倍頻混合光束經(jīng)第一雙色鏡(2)分離后得到倍頻光和基頻光；基頻光經(jīng)四分之一波片(6)轉(zhuǎn)變成圓偏振光，再經(jīng)第一偏振分束棱鏡(7)透射和反射，反射后得到的垂直偏振基頻光被第二光學(xué)延時器延時；透射后得到的水平偏振基頻光以及被延時的垂直偏振基頻光被第二偏振分束棱鏡(9)合束；倍頻光經(jīng)第一光學(xué)延時器延時后被第一反射鏡(4)反射,然后與合束的水平偏振基頻光和垂直偏振基頻光共同被第二雙色鏡(12)合束成納秒時間間隔的脈沖串。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一、二光學(xué)延時器均采用結(jié)構(gòu)相同的折返型光學(xué)延時器，折返型光學(xué)延時器包括平行放置在旋轉(zhuǎn)臺上的兩個條形反射鏡、由步進電機控制的第一光學(xué)延時線(29)以及第七、八反射鏡(30，31);入射光進入其中一個條形反射鏡并在兩個條形反射鏡之間進行多次反射，然后經(jīng)第七反射鏡(30)反射 、第一光學(xué)延時線(29)延時、第八反射鏡(31)反射后出射，兩個條形反射鏡的間距為3-20cm，旋轉(zhuǎn)臺與進入條形反射鏡的入射光垂直方向之間的夾角保持在 5-45。。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的入射光在折返型光學(xué)延時器的光程均為30cm_7.5m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的四分之一波片(6)的光軸長軸方向與其入射光偏振方向夾角為45°。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一雙色鏡(2)與四分之一波片(6)之間設(shè)有用于反射基頻光的第二反射鏡(5),第二偏振分束棱鏡(9)與第二雙色鏡(12)之間依次設(shè)有用于反射水平偏振基頻光和垂直偏振基頻光的第三、四反射鏡(10，11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一、二、三、四偏振分束棱鏡(7,9,15,19)透射的偏振方向相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的光克爾門選通成像系統(tǒng)包括第一、二、三光克爾門(21，22，23)以及第一、二、三CXD (24，25，26)； 第一光克爾門(21)的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的倍頻光控制，探測光束中的倍頻光經(jīng)第一光克爾門(21)處理后在第一 CXD (24)上成像； 第二光克爾門(22)的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的垂直偏振基頻光控制，探測光束中的垂直偏振基頻光經(jīng)第二光克爾門(22)處理后在第二 CXD (25)上成像； 第三光克爾門(23)的開啟和關(guān)閉由開關(guān)光束中的水平偏振基頻光控制，探測光束中的水平偏振基頻光經(jīng)第三光克爾門(23)處理后在第三CXD (26)上成像； 所述的比較成像系統(tǒng)用于比較第一、二、三CXD (24，25，26)成像所得到的三幅流場圖中單個粒子軌跡以計算單個粒子的速度和加速度信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機噴霧流場近場區(qū)光學(xué)診斷方法，其特征在于:所述的第一、二、三光克爾門(21，22，23)的結(jié)構(gòu)相同，且每個光克爾門包括沿探測光束方向依次放置的起偏器(32)、第一聚焦透鏡(40)、光克爾介質(zhì)(33)、檢偏器(34)，沿開關(guān)光束依次放置的半波片(35)、第九反射鏡(37)、由步進電機控制的第二光學(xué)延時線(36)、第十反射鏡(38)、第二聚焦透鏡(41)、第^^一反射鏡(39)； 探測光束依次經(jīng)起偏器(32)起偏、第一聚焦透鏡(40)聚焦后入射到光克爾介質(zhì)(33);開關(guān)光束依次經(jīng)半波片(35)起偏45°、第九反射鏡(37)反射、第二光學(xué)延遲線(36)延時、第十反射鏡(38)反射、第二聚焦透鏡(41)聚焦、第十一反射鏡(39)反射后入射到光克爾介質(zhì)(33)，且入射到光克爾介質(zhì)(33)中的開關(guān)光束與入射到光克爾介質(zhì)(33)中的探測光束的光斑重合以使開關(guān)光束控制光克爾門的開啟和關(guān)閉；經(jīng)過光克爾門后的探測光束轉(zhuǎn)變成僅攜帶著物體形貌信息的成像光束在CCD上成像。
【文檔編號】G01M10/00GK103712771SQ201310647624
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】閆理賀, 司金海, 譚文疆, 陳濤, 陳烽, 侯洵 申請人:西安交通大學(xué)