DE69007519T2

DE69007519T2 - Optische Bestandteile für einen faseroptischen Laserdopplergeschwindigkeitsmesser.

Info

Publication number: DE69007519T2
Application number: DE69007519T
Authority: DE
Inventors: Yuji Ikeda; Tsuyoshi Nakajima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2010-02-14
Also published as: DK0389771T3; JPH02253166A; DE69007519D1; EP0389771A2; JPH0563745B2; EP0389771A3; EP0389771B1; US5013928A

Description

(a) Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine optische Einrichtung eines Laser-Dopplervelocimeters, bei der eine Interferenz von zwei Laserstrahlen verwendet wird, um die Geschwindigkeit zu messen, beispielsweise die Strömung in einer Röhre, Verbrennungsgasströmung, die Strömung in einem Motor, usw.. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine optische Einrichtung eines Laser-Dopplervelocimeters mit einem Fasermeßfühler und einer optischen Einrichtung eines Manipulators, um einen Laser in eine Faser zu übertragen.

(b) Beschreibung des Stand der Technik

Im allgemeinen wird in Laser-Dopplervelocimetern ein Laserstrahl in zwei Strahlen parallel gerichtet. Diese beiden Strahlen werden durch eine Frontlinse fokussiert und bilden ein Meßvolumen, in dem eine Interferenzrangzone ausgebildet wird. Ein in einer Strömung befindlicher Partikel, beispielsweise ein Staub, der sich durch das Meßvolumen bewegt, verursacht eine Lichtstreuung, die bei einem Fotoelektronenvervielfacher erfaßt wird und in elektrische Dopplerimpulssignale transformiert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit wird erhalten durch Verarbeitung des Dopplersignals mit einem Signalverarbeitungssystem.
In mit einer Faser versehenen Laser-Dopplervelocimetern (LDVs) werden optische Fasern dazu verwandt, um die Laserleistung in ein Meßvolumen zu übertragen, und um ein Streulicht zu einem Fotoelektronenvervielfacher zu übertragen.
Wie mit Fasermeßfühlern versehene LDVs, weist ein kompakter Typ des mit einem Fasermeßfühler versehenen LDV, wie in Fig. 6 dargestellt, eine Selfoc- Mikrolinse auf, um den Laserstrahl parallel zu richten, eine Frontlinse c um zwei oder vier Strahlen zu fokussieren und ein Heßvolumen o zu bilden, eine Empfangslinse, zum Sammeln des Streulichts vom Meßvolumen und zur Fokussierung auf das Ende einer Empfangsfaser e, und eine Empfangsfaser, zur Übertragung des Streulichts zu einem Fotoelektronenvervielfacher. Wohingegen ein Faser-LDV vom großen Typ, der in Fig. 7 dargestellt ist, eine Selfoc- Mikrolinse b, b, zum parallelen Ausrichten der Laserstrahlen aus den Fasern, Strahlausweitungslinsen g, h, zum Ausweiten eines Strahldurchmessers, um die Intensität des Streulichts zu vergrößern, eine Frontlinse, eine Empfangslinse, und eine Empfangsfaser (vgl. auch DE-A-3 637 235 und EP- A-260 408).
Bei einem Faser-LDV vom kompakten Typ, kann ein Strahl aus einer Selfoc-Mikrolinse infolge seiner kompakten Größe nicht ausgeweitet werden, so daß das Meßvolumen groß wird, was einen Störabstand verringert. Darüber hinaus verursacht das störende Streulicht eine Störung und verringert die Meßgenauigkeit, wenn der Laserstrahl durch eine Linse hindurchgeht. Ein Raumfilter, zum Abschneiden des störenden Streulichts kann in kompakten Faser-LDVs infolge ihrer Größe nicht verwendet werden.
In einem mit einem Fasermeßfühler versehenen LDV vom großen Typ, wird ein Strahlausweiter verwendet, um den Strahldurchmesser groß zu machen, um das Meßvolumen klein zu machen, um die Intensität von Streulicht zu vergrößern, und eine komplizierte Einstellung der optischen Eigenschaften ist erforderlich.
An einem Manipulator muß ein fokussierter Laserstrahl in einem Faserkern a, wie in Fig. 5 dargestellt, positioniert werden, so daß drei dimensionsgerechte Querbewegungen x, y, z und zwei Winkeleinstellungen θ, Φ erforderlich sind. Da der Kerndurchmesser der Faser 3 bis 4 um beträgt, wird eine Auflösung der Einstellung von weniger als ein Mikrometer benötigt, die kaum erreicht werden kann, selbst bei Verwendung eines Mikrometers. Insbesondere eine die Polarisation erhaltende Monomode-Faser weist eine kleine numerische Apertur NA auf. Das bedeutet, daß, wenn ein Laserstrahl zur Übertragung von Laserleistung in eine Faser fokussiert ist, der fokussierte Durchmesser kleiner sein muß als der Kerndurchmesser der Faser, und die NA des fokussierenden Laserstrahls kleiner sein muß als die NA der Faser.

Zusammenfassung der Erfindung

Die wesentliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Strahlausweiter mit einer perforierten Linse zu schaffen, um einen Störabstand zu erhöhen und eine Anzahl optischer Einrichtungen, eine komplizierte Einstellung eines optischen Systems und einen Meßfühlerdurchmesser zu verringern. Die Verwendung einer Kombination aus einer perforierten konkaven Linse und einer plan-konvexen Linse als ein Strahl ausweiter trägt dazu bei, ein Meßvolumen bei hoher Streulichtintensität klein zu halten, störendes Streulicht abzuschneiden, wenn ein leerer Strahl durch eine Linse tritt, das heißt, einen Raumfilter zu schaffen.
Ein Mechanismus mit Dreipunktabstützung, um ein Ende einer Glasstange und eine Röhre zu neigen, in der eine Linse und eine Faser bef estigt sind, ermöglicht uns eine Einstellung mit hoher Auflösung durch handelsübliche Schrauben, so daß ein hoher Kopplungswirkungsgrad erreichbar ist.
Um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, wurde die Erfindung sowohl an einer LDV mit Meßfühler als auch an einem Manipulator durchgeführt. In dem mit den Meßfühler versehenen LDV werden die Übertragunsgfasern 4, 4 mit Selfoc-Mikrolinsen 41, 41 parallel gerichtet und installiert. Die perforierte konkave Linse 32, die plan-konvexe Empfangslinse 33 und die Frontlinse 34 sind im Meßfühlergehäuse 31 auf derselben Achse installiert. Der Laserstrahl 12, 12 aus den Selfoc-Mikrolinsen 41, 41 tritt durch einen äußeren Bereich der perforierten Linse 32 a, während das gesammelte Streulicht durch den Zentrumsbereich der perforierten Linse 32 b hindurchtritt, wenn ein Partikel durch den Interferenzrandbereich des Meßvolumens hindurchtritt. Dies wirkt insgesamt als ein Raumfilter.
Im Manipulator ist das andere Ende der vorstehend erwähnten optischen Übertragungsfaser mit dem Manipulator 2 verbunden. Der Manipulator weist ein Faseranschlußteil, eine Röhre 24, in der die Fokussierungslinse 24a und die Faser 4 befestigt sind, und die Glasstange 23 auf, um den Laserstrahl 12 in die Fokussierungslinse 24a mit derselben optischen Achse einzuführen. Die Enden der Röhre 24 und die Glasstange 23, die mit dem Dreipunkt-Abstützungsmechanismus versehen sind, werden mittels der Einstellschrauben 27a, 27b, 29a und 29b geneigt, um einen Strahleinfallswinkel in die Fokussierungslinse und eine Einfallsstrahlposition an der Fokussierungslinse zu ändern.
Bei der vorstehenden Anordnung des Meßfühlers wird der Laserstrahl 12 aus der Selfoc-Mikrolinse 41 mit seinem Strahldurchmesser und dem Strahlabstand aufgeweitet, anschließend mittels der Frontlinse 34 fokussiert, um das Meßvolumen zu bilden. Wenn ein Partikel sich durch den Interferenzrandbereich eines Meßvolumens bewegt, tritt Streulicht auf. Dieses Streulicht wird durch die Frontlinse 34 gesammelt und auf das Ende der Empfangsfaser 51 mittels der Empfangslinse 33 fokussiert, wobei es durch den perforierten Teil der Ausweitungslinse 32b hindurchgeht. Die Verwendung des perforierten Strahlausweiters trägt zur Reduzierung der Anzahl der optischen Elemente, zur Vereinfachung des optischen Aufbaus und seiner Einstellung, sowie zur Kompaktheit des Meßfühlers bei. Darüber hinaus spielt das Ganze eine Rolle bezüglich des wirksamen Raumfilters für die empfangenden optischen Elemente, um das störende Licht, das an den Linsenoberflächen streut, wenn der Laserstrahl hindurchtritt, abzuschneiden, und bezüglich der wirksamen Empfangsapertur. Der ausgeweitete große Durchmesser des auf die Frontlinse 34 einfallenden Strahls bildet ein kleines Meßvolumen, das die Intensität des Streulichts zur Erhöhung des Störabstands und der Meßgenauigkeit erhöht.
Im Manipulator wird die Laserleistung in Fasern 4, 4 übertragen. Die Einstellungen der Röhre 24 und der Glasstange 23 werden mittels handelsüblicher Schrauben ausgeführt, die am Ende der Gehäuse angebracht sind. Die Frontbereiche weisen Drehmechanismen, beispielsweise ein Gyroskop, auf, so daß die beiden dimensionsgerechten Einstellungen des Winkels der Röhre und der Glasstange auf die Strahlpositionierung wirken, und der Einfallswinkel in die Frontlinse sich ändert, um den fokussierten Strahl auf den Faserkern auszurichten. Dieser Einstellungsmechanismus weist eine hohe Auflösung der Lichtpunktpositionierung von weniger als 1 um auf. Diese Erfindung kann bei Verwendung von diesem Mechanismus einen Kopplungswirkungsgrad erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Art und der Vorteil der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erstellt wurde, klarer, in der:
Fig. 1 ein Auslegungskonzept des mit einer Meßfühlerfaser versehenen LDVs zeigt;
Fig. 2 eine detaillierte schematische Gestaltung der optischen Komponenten zeigt;
Fig. 3 eine detaillierte schematische Gestaltung des Manipulators zeigt;
Fig. 4 eine detaillierte Erläuterung des Einstellungsmechanismus zeigt;
Fig. 5 die Positionierung des fokussierten Laserstrahls in den Faserkern in den drei Richtungen und zwei Winkeleinstellungen zeigt; und
Fig. 6 und 7 die schematischen Gestaltungen von konventionellen mit Meßfühlerfasern versehenen LDVs zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ist nachfolgend ausgeführt.
Wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, weist das optische System des mit einer Heßfühlerfaser versehenen LDVs die beiden Überleitungsfasern 4, 4 mit Selfoc- Mikrolinsen 41, 41, einer Empfangsfaser 5 und den drei Linsen 32, 33 und 34 auf. Ein Laserstrahl aus der Laserquelle 14 wird in zwei Strahlen geteilt und in die Fasern 4, 4 am Manipulator 2 übertragen. Die beiden Laserstrahlen aus den Selfoc-Mikrolinsen 41, 41 werden am Strahlausweiter 32, 33 ausgeweitet und beim Meßvolumen ο mittels der Frontlinse 34 fokussiert. Das Streulicht 13, das erzeugt wird, wenn ein Partikel durch den Interferenzrandbereich des Meßvolumens O hindurchtritt, wird mittels der Frontlinse 34 gesammelt und auf das Ende der Empfangsfaser 51 mittels der Empfangslinse 33 fokussiert und zu einem Fotodetektor übertragen, wo ein Lichtsignal in ein elektrisches Signal transformiert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit wird erhalten durch Verarbeitung der elektrischen Dopplersignale.
Die Erläuterung des vorstehend erwähnten, mit einer Meßfühlerfaser versehenen LDVs 3 ist die folgende:
Die beiden Übertragungsfasern 4, 4 und eine Empfangsfaser 5 sind am Ende des Meßfühlers angeschlossen. Die anderen Enden der Übertragungsfasern 4, 4 sind mit dem Manipulator 2 verbunden, um Laserleistung zu übertragen und das andere Ende der Empfangsfaser ist mit einem Fotoelektronenvervielfacher verbunden, um das Streulicht aus dem Meßvolumen O zu übertragen.
Das mit einem Fasermeßfühler versehene LDV 3 weist das Gehäuse 31, die beiden Übertragungsfasern 4, 4, eine Empfangsfaser 5, die Ausweitungslinsen 32, 33 und die Frontlinse 34 auf. Das Gehäuse ist stangenförmig dimensioniert. Die Fasern weisen Selfoc-Mikrolinsen 41, 41 auf, um die Laserstrahlen parallel zu richten, die parallel installiert sind. Die Achse der beiden Selfoc-Mikrolinsen ist dieselbe.
Die Ausweitungslinse kombiniert die perforierte konkave Linse 32 und die plan-konvexe Linse 33, und diese beiden Linsen sind auf derselben Achse befestigt. Der Ausweiter wird verwendet, um den Strahldurchmesser und den Strahlabstand zu expandieren.
Das Streulicht wird mittels der Frontlinse 34 gesammelt und auf das Ende der Empfangsfaser 51 fokussiert, wobei es durch den perforierten Bereich der Linse 32b hindurchtritt. Dieser perforierte Bereich dient bei dem Raumfilter dazu, das störende Streulicht abzuschneiden, wenn ein Strahl durch die Linse hindurchgeht. Die zweite Ausweitungslinse 33 dient zur Ausweitung des Einfallsstrahls und zum Empfangen und Fokussieren des Streulichts auf das Faserende.
Dies ist der Grund, warum diese Erfindung die Anzahl der optischen Komponenten verringern kann, und einen Strahlausweiter in einem solch geringen Meßfühlerdurchmesser installieren kann.
Die oben erwähnte Frontlinse 34 ist eine plan-konvexe Linse. Der äußere Teil dient zur Fokussierung eines Strahls und bildet das Meßvolumen ο, und der innere Teil dient zum Empfang des Streulichts vom Meßvolumen ο.
Die Erläuterung des Manipulators zur Übertragung von Laserleistung geschieht im folgenden:
Der Manipulator weist ein Paar Ubertragungseinrichtungen 22, 22 im rechteckförmigen Gehäuse 21 auf.
Die Übertragungseinrichtung weist das Laserstrahl-Einführungsloch 21a, das Lambda-Halbwellen-Blättchen 25 zur Erzeugung einer Korrespondenz einer Polarisationsrichtung des Laserstrahls mit der der Faser, die Glasstange 23, zur Einstellung einer numerischen Blende eines einfallenden Strahls in die numerische Blende der Faser, die Fokussierungslinse 24, und die Übertragungsfasern 4, 4 auf. Die Glasstange ist mit einer Antireflex-Beschichtung auf beiden Enden versehen und weist eine Länge von 80 mm auf, um den in 1. Ordnung abgelenkten Strahl von dem in 0. Ordnung abgelenketen Strahl zu trennen. Eine Einstellung wird durch den Dreipunkt-Abstützungsmechanismus 27 mittels Schrägstellung des Endes des Gehäuses 23 ausgeführt. Der Frontteil ist ein Kreiselmechanismus 26 mit den beiden Schrauben 27a, 27b, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Fokussierungslinse 24a und die Empfangsfaser 4 sind in der Stützröhre 24 installiert. Der Laserstrahl aus der Glasstange wird in die Faser 4 durch Einstellung mit demselben Dreipunkt-Abstüzungsmechanismus 24 und dem Kreiselmechanismus 28 eingeführt. Der Frontteil 28 ist ein Kreiselmechanismus und der rückwärtige Teil ist ein Dreipunkt-Abstützungsmechanismus mit den Schrauben 29a, 29b und einer Feder.
Die oben erwähnten Kreiselmechanismen 26 und 28 weisen Innenringe 26a, 28a und Außenringe 26b, 28b auf und stützen die Glasstange und die Röhre. Die Einstellschrauben der Größe M3 (Teilung = 0,5 mm) 27a, 27b, 29a und 29b sind auf übliche Weise an der Mittelachse des Gehäuses 24 montiert, und der Winkel zwischen diesen beiden Schrauben beträgt 90º. bei Einstellung des Endes der Röhre, in der die Fokussierungslinse 24a und die Faser 4 installiert sind, in den beiden Richtungen mittels dieser Schrauben, wird die Positionierung des fokussierten Strahls so ausgeführt, daß sie im Kern der Faser 4 ist. Im nachfolgenden wird das Prinzip der Einstellung erläutert:
Wie in Fig. 4 dargestellt, wird die Positionierung des fokussierten Strahls in den Faserkern durch Änderung des Einfallstrahlwinkels θ&sub2; auf die Fokussierungslinse 24a mittels Schrägstellung des Endes der Röhre in den beiden Richtungen mit den Schrauben 29a, 29b durchgeführt. Die Strecke t ist definiert als ein t = f tanθ&sub2; (f : Brennweite) in einer Gaußschen Optik. Der Winkel θ&sub2; wird durch Schrägstellung desr Endes der Röhre 24 auf dieselbe Art und Weise verändert.
Um einen hohen Einfallswirkungsgrad zu erzielen, sollten die folgenden Bedingungen erfüllt sein; (i) der Durchmesser d&sub1; des fokussierten Strahls ist kleiner als der Kerndurchmesser von 4 um,
d&sub1; < df (1) und
(ii) die numerische Apertur des Einfallsstrahls NA&sub1; (θ&sub1;) ist kleiner als die der Faser NAf (θf), das heißt,
θ&sub1; < θf (2).
Aus den Beziehungen zwischen dem Durchmesser des fokussierten Strahls,
d&sub1; = 4fλ / πdin (3)
und der numerischen Apertur,
NA&sub1; = din / 2f (4)
ist die folgende Gleichung definiert,
NA&sub1; = 2λ / πd&sub1; (5),
wobei f die Brennweite der Linse 24a, λ die Wellenlänge und din der Strahldurchmesser an der Frontlinse 24a ist.
Wenn die Wellenlänge des Lasers 632,8 nm beträgt und eine polarisationserhaltende optische Faser (Hitachi) von 4 um im Kerndurchmesser und 0,1324 in NAf verwendet wird, können die Bedingungen (i) und (ii) umgeschrieben werden als:
3,04 um < d&sub1; < 4 um (6)
0,10 < sin θ&sub1; < 0,1324 (7).
Diese Ungleichungen werden auf die folgende Bedingung bezogen auf die Brennweite der Linse reduziert:
4,14 mm < f < 5,46 mm (8).
Der Manipulator erfordert fünf Freiheitsgrade bei der Einstellung, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Einstellungen der x- und y-Richtung werden durch Änderung des Einfallsstrahlwinkels auf die fokussierende Linse mit dem Dreipunkt-Abstützungsmechanismus, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgeführt.
Um den fokussierten Strahl in den Faserkern zu Positionieren und einen hohen Übertragungswirkungsgrad zu erhalten, ist eine hohe Auflösung bei der Einstellung unvermeidlich. Diese Erfindung erzielt den hohen Übertragungswirkungsgrad durch Verwendung des Manipulators von 0,3 um Auflösung in der x- und der y-Richtung, 4 um in der z-Richtung, und 5,3 x 10&supmin;&sup4;º in die θ- und die Φ-Richtung, was 1/250 der NAf der Faser entspricht.
Die Erläuterung der Wirkung des mit einer Faser versehenen LDVs geschieht im folgenden:
Der Laserstrahl aus der Laserquelle 14 wird in zwei Strahlen geteilt und jeder Strahl geht durch das Lambda-Halbwellen-Blättchen 25, die Glasstange 23, die Fokussierungslinse 24a, und wird anschließend in die Faser 4 übertragen. Der Ausgangsstrahl aus der Faser wird an der Selfoc-Mikrolinse 41 parallel gerichtet, geht durch die Ausweitungslinsen 32, 33 und wird mittels der Frontlinse 34 zur Kreuzung gebracht, um das Meßvolumen ο auszubilden. Der Interferenzrandbereich wird am Strahlkreuzungspunkt ausgebildet. Wenn ein Partikel sich durch den Interferenzrandbereich bewegt, wird Licht gestreut, dessen Frequenz der Dopplerfrequenz der Strömung entspricht. Das Streulicht wird von der Frontlinse 34 gesammelt und auf das Ende der Empfangsfaser 51 durch die Empfangslinse 32 fokussiert. Das Streulicht wird zum Fotodetektor übertragen und die Geschwindigkeit wird aus der Frequenz in der Signalverarbeitungseinrichtung 14 berechnet.
Da der perforierte Strahlausweiter verwendet wird, um den Strahldurchmesser zur Erhöhung des Störabstandes und der Meßgenauigkeit zu expandieren, reduziert diese Erfindung die Anzahl der optischen Komponenten und die komplizierte Einstellung der optischen Komponenten, und macht den Neßfühlerdurchmesser klein verglichen mit konventionellen LDVs. Darüber hinaus wird durch Ausweitung des Durchmessers von Einfallsstrahl auf die Frontlinse ein kleineres Meßvolumen erreicht. Beispielsweise wird ein Durchmesser des Meßvolumens von 71,2 um ausgebildet, wenn eine Brennweite der Linse 50 mm beträgt, jedoch einer von nur 149 um im konventionellen kleinen Faser-LDV. Somit wird die Intensität des Streulichts erhöht, und der Störabstand und die Meßgenauigkeit wird erhöht. Darüber hinaus übernimmt der perforierte Teil der Ausweitungslinse die Rolle eines Raumfilters, um das störende Streulicht abzuschneiden, wenn ein Strahl durch eine Linse hindurchtritt.
Die Dimensionen des Meßvolumens, die bei dieser Erfindung erreicht wurden sind in Tabelle 1 beschrieben. Der Lichtpunktdurchmesser von 71 um ist beinahe der halbe Wert von denen in handelsüblichen Faser- LDVs mit vergleichbarer Brennweite. Durch den Störabstand ausgedrückt ist dieser Faser-LDV durch die folgende Beziehung bestimmt:
Störabstand = (As) {(nq P0)/(Δf)} {(Da din)/(Ra f))² (9)
As : Konstante
Da : Empfangsapertur din: Durchmesser des in die Frontlinse einfallenden Strahls
f : Brennweite der Frontlinse
Δf : Bandweite
Po : Laserleistung
Ra : Empfangslänge
nq : Quanteneffizienz des Fotodetektors
Hier ist ((Da din)/(ra f)}² verwendet, um die Leistung Faser-LDVs abzuschätzen. Verglichen mit 0,72 x 10&supmin;&sup6; oder 0,29 x 10&supmin;&sup6; oder 0,6 x 10&supmin;&sup6; bei konventionellen LDVs, erhöht diese Erfindung den Parameter bis zu 6,32 x 10&supmin;&sup6;, das ist beinahe zehn mal so gut wie die von den konventionellen LDVs.
Beim Manipulator wird die Positionierung des Strahl lichtpunkts und die Winkeleinstellung genau und schnell ausgeführt. Wenn eine Winkelauflösung bei einer manuellen Einstellung der Schraube 5º beträgt, beträgt die Auflösung der Positionierung des fokussierten Strahls bis zu 0,3 um und der Kopplungswirkungsgrad von 80 % wird erreicht. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Kopplungswirkungsgrad von 80 % sehr hoch ist im Vergleich mit dem berechneten Wirkungsgrad von 88,1 %, unter Berücksichtigung der Abkürzungsverluste und der Reflektionsverluste.
Ein Meßfühler für eine zweidimensionale Messung wird realisiert, wenn vier Fasern verwendet werden, um die vier Strahlen zur Ausbildung eines zweidimensionalen Meßvolumens zu übertragen.
Darüber hinaus ist die Einstellschraube nicht darauf beschränkt vom Maß M3 (Teilung = 0,5 mm) zu sein, und eine Feder zur Abstützung der Röhre und der Glasstange ist nicht darauf beschränkt, eine einzelne zu sein. Tabelle 1 Dimensionen von Meßvolumen Entwirkkeltes FLDV Konventionelles LDV (DANTEC) Konventionelles LDV (DANTEC) FLDV (DANTEC) FLDV (TSI) FLDV (KANOMAX) Wellenlänge (nm) Brennweite (mm) Meßfühlerdurchmesser Lichtpunktdurchmesser (um) Lichtpunktlänge Randbereichabstand (um) Randbereichzahl SNR Parameter (x 10-6) SNR Parameter ist (Da x din/ra x f)²

Claims

1. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters, aufweisend:

Übertragungsfasern zur Übertragung von Laserleistung,

eine Empfangsfaser zur Übertragung von Streulicht; und

einen Meßfühler, in dem die Übertragungsfasern und die Empfangsfaser miteinander verbunden sind;

wobei der Meßfühler umfaßt:

einen Faseranschluß für die Empfangsfaser, Faseranschlüsse für die Übertragungsfasern, eine erste Ausweitungslinse, die vor den Faseranschlüssen montiert ist;

eine zweite Ausweitungslinse, die vor der ersten Ausweitungslinse auf derselben Achse montiert ist, und;

eine Frontlinse, die vor der zweiten Ausweitungslinse auf derselben Achse angeordnet ist, wobei die erste Ausweitungslinse aufweist einen inneren perforierten Teil zur Einleitung von Streulicht von einem Meßvolumen zum Ende der Empfangsfaser; und

einen äußeren Teil zur Ausweitung der Durchmesser der einfallenden Strahlen und deren Abstände,

wobei die zweite Ausweitungslinse aufweist einen äußeren Teil, zur Kollimation des expandierten Strahldurchmessers und zur Einführung in die Frontlinse; und

einen inneren Teil zur Fokussierung des Streulichts vom Meßvolumen auf das Ende der Empfangsfaser,

wobei die Frontlinse aufweist einen äußeren Teil zur Fokussierung der Strahlen und zur Bildung des Meßvolumens; und einen inneren Teil zum Sammeln des Streulichts aus dem Meßvolumen.

2. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend

Selfoc-Mikrolinsen, die mit den Übertragungsfasern zur Kollimation der Laserstrahlen aus den Fasern verbunden sind.

3. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend

zwei Übertragungsfasern, die Selfoc-Mikrolinsen aufweisen, die parallel und achsensymmetrisch installiert sind, und die Empfangsfaser, die auf der Mittelachse des Meßfühlers installiert ist.

4. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 1, wobei durch Verwendung von vier Übertragungsfasern zur Übertragung von vier Laserstrahlen zum Meßvolumen zweidimensionale Messungen ermöglicht sind.

5. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen Manipulator zur Übertragung einer Laserleistung in die Übertragungsfasern, wobei der Manipulator umfaßt:

Faseranschlüsse der Übertragungsfasern,

Faserkopplungseinrichtungen, in denen das Ende der Übertragungsfaser befestigt ist,

eine Einstellglasstange zur Einstellung der Einfallsstrahlapertur in die numerische Apertur der Faser,

eine Einstellröhre zur Positionierung des fokussierten Strahls in den Faserkern; und

Dreipunkt-Abstützungsmechanismen zur Positionierung des Strahllichtpunkts und zur Einstellung eines Einfallsstrahlwinkels durch Neigung des Endes der Röhre und der Glasstange.

6. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend zwei Sätze der Einstellglasstange und der Einstellröhre.

7. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend zwei Sätze der Dreipunkt-Abstützungsmechanismen zur Einstellung der Röhre und der Glasstange.

8. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend ein Lambda-Halbwellen-Blättchen, um die Laserpolarisationsrichtung in Korrespondenz mit der Polarisationsrichtung der Faser zu bringen.

9. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 5, bei dem die Einstellglasstange dazu dient, einen Strahl 1. Beugungsordnung von einem Strahl 0. Beugungsordnung zu trennen.

10. Optische Einrichtung eines Faser-Laserdopplervelocimeters nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend einen Kreiselmechanismus im vorderen Teil der Röhre und der Glasstange mit Innenringen und Außenringen.