Оптическая система лазерного доплеровского измерителя

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Оптическая система лазерного доплеровского измерителя, содержащая полупроводниковый лазер, оптически связываемый через линзу с исследуемым объектом, и гетеродинный фотодетектор, отличающаяся тем, что гетеродинный фотодетектор установлен в корпусе полупроводникового лазера для приема с задней грани резонатора лазера излучения, используемого в качестве опорного сигнала для фотогетеродинирования, а линза установлена так, что ее фокус расположен на задней грани резонатора для обеспечения согласования волновых фронтов отраженного от объекта излучения и опорного сигнала. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в доплеровских измерителях скорости движения рассеивающих оптическое излучение потоков жидкости и газов, а также для измерения параметров движения твердых и диффузно отражающих объектов, вибраций отражающих поверхностей и т.п. Известна оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости 1, содержащая лазер, моностатическую антенну, кольцеобразователь, коллиматор, светоделительную пластину, линзу фотодетектора, фотодетектор, при этом все оптические оси расположены в одной плоскости. Недостатком этого устройства является сложность конструкции и ограниченная точность измерений. 12531 1 2009.10.30 Наиболее близким к предлагаемому изобретению является оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости 2, содержащая лазерный излучатель, две линзы, фотодетектор в качестве источника излучения использован полупроводниковый лазер, обладающий широкой диаграммой направленности излучения, установленный так,что часть излучения через вторую линзу направляется к измеряемому объекту, а другая часть через первую линзу - на фотодетектор, при этом зеркало резонатора лазера используется для направления отраженного от объекта излучения на фотоприемник, где осуществляется гетеродинное выделение допплеровского сигнала. Недостатком этого устройства является сложность конструкции, ограниченная чувствительность и точность измерений. Задача изобретения - повышение чувствительности и точности измерений и упрощение конструкции оптической схемы лазерного доплеровского измерителя. Решение поставленной задачи позволит создавать миниатюрные оптические измерительные головки для доплеровских измерителей скорости движения рассеивающих оптическое излучение потоков жидкости и газов, твердых и диффузно отражающих объектов, а также для измерения параметров вибрации отражающих поверхностей. Поставленная задача решается путем того, что в оптической системе лазерного доплеровского измерителя, содержащей оптически связанные полупроводниковый лазер, линзу,гетеродинный фотодетектор, гетеродинный фотодетектор установлен в корпусе полупроводникового лазера для приема с задней грани резонатора лазера излучения, используемого в качестве опорного сигнала для фотогетеродинирования, а линза установлена так, что ее фокус расположен на задней грани резонатора для обеспечения согласования волновых фронтов отраженного от объекта излучения и опорного сигнала. На фигуре представлена функциональная схема оптической системы лазерного доплеровского измерителя. Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, линзу 2, гетеродинный фотоприемник 3, измеряемый объект 4. Система работает следующим образом. Полупроводниковый лазер 1 излучает оптическое излучение частотой , которое направляется линзой 2 к измеряемому объекту 4. В результате эффекта Допплера в зависимости от направления скорости движения отраженное от движущейся (вибрирующей) поверхности объекта излучение приобретает сдвиг частоты , равный где- длина волны излучения лазера,- скорость контролируемой точки поверхности, - угол между направлением скорости и направлением лазерного луча. Следовательно,частота отраженного от объекта оптического излучения будет равна. Отраженное от объекта излучение собирается линзой 2 и направляется через стеклянное окошко в корпусе лазера на фотоприемник 3. Размер стеклянного окошка в корпусе лазера и размер линзы 2 таковы, что собранное линзой 2 отраженное от объекта излучение без ослабления попадает на внутренний фотоприемник лазера 3. Излучение с задней грани резонатора лазера также попадает на фотоприемник 3, где используется в качестве опорного сигнала для фотогетеродинирования. Таким образом, на фотоприемник 3 поступают два сигнала опорный - частотойи отраженный от объекта - частотой. В результате оптического гетеродинирования на фотоприемнике 3 выделяется разностный сигнал доплеровской частоты, определяемый формулой (1). Для обеспечения согласования волновых фронтов отраженного от объекта излучения и опорного излучения фокус приемо-передающей линзы расположен на задней грани резонатора лазера. Линза 2 используется как для передачи лазерного излучения к объекту, так и для приема диффузно отраженного от объекта излучения. К объекту посылается излучение с передней грани резонатора лазера, в то время как фокус линзы 2 расположен на задней грани резонатора лазера. По этой причине посылаемое к объекту излучение будет обладать небольшой расходимостью. Однако так как 2 12531 1 2009.10.30 размер резонатора лазера очень мал и составляет 0,20,5 мм, то и обусловленная этим расходимость излучения будет минимальной, на уровне дифракционной. Предложенная система в отличие от известных обладает простотой, минимальным количеством оптических элементов, практически не нуждается в юстировке и может использоваться для создания миниатюрных доплеровских измерителей скорости и вибрации. Таким образом, использование в качестве гетеродинного фотоприемника фотодетектора, расположенного в корпусе полупроводникового лазера, и расположение фокуса приемо-передающей линзы на задней грани резонатора лазера для обеспечения максимальной эффективности гетеродинного выделения доплеровского сигнала позволяет повысить чувствительность и точность измерений и упростить конструкцию оптической системы. Источники информации 1. Патент РФ 2243568, МПК 01 5/26. Оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости / Г.А.Логосов. Опубл. 27.12.2004. 2. Патент РБ 3886, МПК 01 5/26. Приемно-передающее устройство лазерного доплеровского измерителя / В.Л.Козлов, В.М.Стецик, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3