一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置及方法与流程

本发明属于流场、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(moleculartaggingvelocimetry，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(femtosecondlaserelectronicexcitationtagging，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。本发明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]mainyuea,láser.moleculartaggingvelocimetry[m].flowvisualization:techniquesandexamples.2005:73-92.

[4]michaeljb,edwardsmr,dogariua,etal.femtosecondlaserelectronicexcitationtaggingforquantitativevelocityimaginginair[j].appliedoptics,2011,50(26):5158-62.

[5]sunzw,zhujj,lizs,etal.opticaldiagnosticsofaglidingarc.[j].opticsexpress,2013,21(5):6028-44.

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置及方法，本发明属于非接触式光学速度测量方法，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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置，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。

一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的方法，包括以下步骤：

(1)飞秒激光器出射的激光经过聚焦透镜聚焦形成光丝并入射至待测流场，诱导产生弱等离子体通道，通过单反相机记录并将该位置标记作为等离子体通道的初始位置；

(2)飞秒激光聚焦产生的等离子体通道会随流场移动，经过固定时间t，等离子体通道走过位移s，从高压电源引出一对正负电极，沿成丝方向放置于待测流场内的光丝两端；

(3)打开高压电源，对正、负电极通入高压，高压电会沿着等离子体通道的路径击穿空气放电，形成一条极亮的光丝，通过单反相机记录电极放电产生极亮光丝的同时，等同于标记得到了等离子体通道的结束位置；

(4)在计算机中利用matlab软件对单反相机照片中光丝标记的位置进行定标，得到等离子体通道的初始位置和结束位置的空间距离，结合等离子体通道运动的时间间隔即可得到待测流场的速度信息。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明是利用飞秒激光引导高压放电进行测速，实现了非接触式测量，而且将光学信号强度增强了上千倍，增大了测速的应用范围。

2.本发明利用不带增强器的普通单反相机即可作为信号收集装置实现速度测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记：1-飞秒激光器，2-高压电源，3-聚焦透镜，4-单反相机，5-待测流场

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种基于飞秒激光引导放电测量流场速度的装置，包括飞秒激光器1、高压电源2、聚焦透镜3、单反相机4、待测流场5和计算机，本实施例中飞秒激光器1出射的激光依次经过折射镜和聚焦透镜3，激光在聚焦透镜3形成光丝后入射至待测流场5，高压电源2引出的正、负电极放置于待测流场5内的光丝两端，单反相机4放置于待测流场一侧用于拍摄并记录固定时间内的信号的位移来实现测速。

该装置的工作原理如下：将飞秒激光自聚焦形成的光丝引入待测流场中，自聚焦作用使沿成丝方向周围空气被电离形成一条弱等离子体通道，等离子体通道会随流场一起运动。即在测速技术中，飞秒激光聚焦成丝相当于标记好等离子体通道的初始位置。沿成丝方向，靠近光丝两端的合适位置布置一对高压电极。经过一段固定的时间，当等离子体通道随流场运动一段距离后，给电极加上高压，高压电会沿等离子体通道的路径击穿空气放电，形成一条极亮的光丝。即在测速技术中，电极放电的产生极亮的光丝相当于标记了等离子体通道的结束位置。利用单反相机可以记录等离子体通道的两次空间位置，并得到空间的位移信息，结合等离子体通道运动的固定的时间，即可得到速度信息。

结合图1说明本发明的具体实施方式方法。飞秒激光器1发出的激光经过聚焦透镜3聚焦形成光丝并使其经过到待测流场5，激光诱导产生弱等离子体通道，该等离子体通道的位置作为初始位置。此过程在测速技术中相当于，飞秒激光聚焦形成光丝标记了测速的初始位置。飞秒激光聚焦产生的等离子体通道会随流场移动，经过固定时间t，等离子体通道走过位移s，从高压电源2引出一对正负电极，沿成丝方向，靠近光丝并放置于成丝两端，尽量远离待测流场的位置，同时注意避免光丝直接打在电极上。此时在电极上加上高压，高压电会沿着等离子体通道的路径击穿空气放电，形成一条极亮的光丝。即在测速技术中，电极放电的产生极亮的光丝相当于标记了等离子体通道的结束位置。利用单反相机记录光丝的始、末位置，在matlab软件上对单反照片中光丝标记的位置进行定标，得出等离子体通道始、末位置的空间距离，结合等离子体通道运动的时间间隔即可得到待测流场的速度信息。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。