DE60314826T2

DE60314826T2 - Doppelkopf-Lasersystem mit intrakavitärer Polarisation und Teilchenbildgeschwindigkeitsmesssystem, das ein solches Lasersystem verwendet

Info

Publication number: DE60314826T2
Application number: DE60314826T
Authority: DE
Inventors: Kuo-Ching Fremont Liu
Original assignee: New Wave Research Inc
Current assignee: New Wave Research Inc
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: EP1422796A2; EP1422796B1; ATE367006T1; DK1422796T3; EP1422796A3; DE60314826D1; US20040100999A1; US6940888B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Techniken zum Erzeugen von Laserimpulsen in schneller Folge und solche Lasersysteme, die in dem Gebiet der Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry; PIV) verwendet werden.
Beschreibung des Standes der Technik
In der PIV werden Laserimpulse in schneller Folge in einen Fluidfluß gelenkt, der in einigen Fallen Tracer-Teilchen enthält. Eine Kamera wird verwendet, um Bilder des Fluidflusses während der Impulse aufzunehmen. Die aufgenommenen Bilder können analysiert werden, um Eigenschaften des Flusses zu bestimmen. Häufig wird eine einzige Belichtung der Kamera verwendet, um das Bild während zwei Impulsen aufzunehmen. Für einige Ausführungsformen müssen die Laserimpulse in schneller Folge erzeugt werden. Auch sollten die Laserimpulse im wesentlichen die gleiche Leistung und Dauer aufweisen, um die Analyse des aufgenommenen Bildes oder der Bilder zu vereinfachen. Zuletzt ist es wichtig, daß die Laserimpulse den gleichen Raum in dem Feld der Kamera während den aufeinanderfolgenden Impulsen beleuchten, da Änderungen in der Position der Beleuchtung eine Analyse der Bewegung der Teilchen in dem Fluß erschweren.
1 stellt ein PIV-System aus dem Stand der Technik mit einem ersten Laser 101 und einem zweiten Laser 102 dar, die verwendet werden, um Laserlicht-Impulse in schneller Folge zu erzeugen (schematisch die Impulse 101A, 102A). Impulse von dem ersten Laser 101 und von dem zweiten Laser 102 werden auf eine einzige Strahllinie vereinigt und als ein Paar (schematisches Impulspaar 124) verwendet, um eine Beleuchtungswand 125 in einem Fluidfluß 140 zu erzeugen. Eine Kamera 133 nimmt ein Bild 132 von Teilchen in der Beleuchtungswand 125 auf. In diesem Beispiel wird ein polarisierter Ausgangsimpuls 103 von dem ersten Laser 101 auf einen Spiegel 110 gerichtet, der ihn hin zu einem dichroitischen Polarisationsteiler 111 reflektiert. Der Ausgangsstrahl 104 von einem zweiten Laser 102 hat eine um 90° gegenüber der Polarisation des Ausgangsimpulses 103 gedrehte Polarisation und wird gleichfalls auf den dichroitischen Polarisationsteiler 111 gerichtet, wo sein Pfad in den Laserstrahlpfad 105 mit dem Pfad des Ausgangsimpulses 103 von dem ersten Laser 101 überlagert wird. In einigen Ausführungsformen weisen die Laser 101 und 102 diodengepumpte Nd:YAG-Festkörperlaser auf, die Ausgangsimpulse bei einer Primärwellenlänge von 1064 Nanometern erzeugen. In diesen Ausführungsformen kann ein Frequenzvervielfacher bzw. Oberwellengenerator (nicht gezeigt) in dem Pfad 105 angeordnet sein, um die 1064 Nanometer Impulse in eine sichtbare Wellenlänge, wie z.B. 532 Nanometer, umzuwandeln. Der Pfad 105 richtet die Impulse durch eine sphärische Linse 115 auf ein Prisma 120. Das Prisma 120 richtet die Impulse auf einem Laserstrahlpfad 105 auf eine zylindrische Linse 121, welche die Impulse zu einer gepulsten Beleuchtungswand 125 in dem Fluidfluß 140 formt.
Die Beleuchtungswand 125 beleuchtet Teilchen 131 in dem Fluidfluß 140 und die dadurch beleuchteten Teilchen formen ein Bild 132 in einer Kamera 133. Damit aufgenommene Teilchenbilder werden durch einen Computer verarbeitet, wobei eine PIV-Analyse ausgeführt werden kann.
Im allgemeinen werden in Anwendungen zur Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung Impulse von zwei getrennten Lasern benötigt, da die Zeit zwischen Impulsen kürzer ist und die Energie der Impulse höher ist, als tatsächlich erzeugt werden können, wenn ein einziges Verstärkungsmedium verwendet wird. Eine Steuerung, die typischerweise realisiert ist, wobei ein Computer verwendet wird, stellt eine steuerbare Zeitverzögerung zwischen den getrennten Lasern und die Leistung der Ausgangsimpulse ein. Die optischen Komponenten, die verwendet werden, um die Beleuchtungswand zu erzeugen, müssen vorsichtig ausgerichtet werden, so daß die Impulse von den beiden Lasern im wesentlichen den gleichen Raum in dem Fluß beleuchten. Jede Fehlausrichtung der beleuchteten Räume spiegelt sich direkt in dem aufgenommenen Bild wieder und erschwert die Analyse des Bildes. Auch sollte die Energie der Impulse im wesentlichen die gleiche sein oder genau gesteuert sein, so daß die aufgenommenen Bilder der zwei Impulse einfacher verarbeitet werden können.
Wie in 2 gezeigt, verwendet ein System aus dem Stand der Technik zwei IR-Laserresonatoren. Ein erster Laser 101 weist eine resonante Kavität mit einem ersten Spiegel 231, einem ersten Laserverstärkungsmodul 230, einem ersten Güteschalter 233, einem ersten Auskoppelspiegel 234 auf. Ein zweiter Laser 102 weist eine resonante Kavität mit einem zweiten Spiegel 251, einem zweiten Laserverstärkungsmodul 250, einem zweiten Güteschalter 253, einem zweiten Auskoppelspiegel 254 auf. Eine Lasersteuerung 240 ist mit den Laserverstärkungsmodulen und den Güteschaltern der ersten und zweiten Laser verbunden und kann Parameter des Systems, einschließlich der Zeitverzögerung zwischen den Impulsen von den ersten und zweiten unabhängigen Lasern, einstellen.
In der Ausführungsform aus 2 wird der erste Laserausgangsstrahl 260 von einem Spiegel 255 zu einem Polarisator 256 reflektiert, wo er mit dem zweiten Laserausgangsstrahl 261, der durch eine Lambda-Halbe-Platte 259 gelaufen ist, kombiniert wird. Die Strahlpfade werden von dem Polarisator 256 in einem überlagerten Strahlpfad 262 vereinigt. Der Strahlpfad 262 wird auf einen Oberwellengenerator 258 gerichtet, der die Impulse auf dem Strahlpfad 262 in Ausgangsimpulse auf einem Strahlpfad 264 mit einer sichtbaren Wellenlänge umwandelt.
Der so gebildete Ausgangsstrahl 264 kann verwendet werden, um eine Beleuchtungswand zur Verwendung in PIV-Messungen auf eine der in 1 gezeigten ähnliche Weise zu bilden.
Die Technik von extern kombinierten Impulsen, die durch zwei unabhängige IR-Laser erzeugt werden, hat verschiedene Unzulänglichkeiten. Zum Beispiel ist diese Anordnung hochgradig empfindlich auf die richtige mechanische Ausrichtung der Laser und der Optiken in den Strahlpfaden.
US-Patent 4,326,175 offenbart ein Lasersystem zum Erzeugen zweier zeitlich eng beabstandeter Laserimpulse, wobei jeder Impuls eine andere Farbe aufweist. Das Dokument von Willert C., Raffel M., Kompenhans J., Stasicki B., Kahler C.: "Recent applications of particle image velocimetry in aerodynamic research" FLOW MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION, Band 7, Nr. 3–4, September 1996 (1996-09) – Dezember 1996 (1996-12), Seiten 247–256 offenbart Anwendungen einer Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung in der Aerodynamikforschung. US-Patent 5,737,347 offenbart einen abstimmbaren Laser, der eine Laseremission bei mindestens zwei Wellenlängen gleichzeitig offenbart. US-Patent 5,345,457 offenbart ein Zwei-Wellenlängen-Lasersystem mit Summenfrequenzmischung in der Kavität. Das Dokument von Hu H., Saga T., Kobayashi T., Taniguchi N., Yasuki M.: "Dual-plane stereoscopic partical image velocimetry: system set-up and its application an a lobed jet mixing flow" EXPERIMENTS IN FLUIDS, Band 31, Nr. 3, September 2001 (2001-09), Seiten 277–293 offenbart ein stereoskopisches Teilchenbildgeschwindigkeitsmeßsystem mit zwei Ebenen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bestimmte und bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten unabhängigen und abhängigen Ansprüchen dargelegt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verringern die zuvor identifizierten Probleme durch Einführen eines einzigen Lasers mit zwei Laserköpfen, die impulsförmige Ausgänge aufweisen, die in einem einzigen Ausgangsstrahlpfad überlagert sind. In Ausführungsformen der Erfindung werden die Impulse mit Polarisation in der Kavität auf eine einzige Strahllinie gekoppelt und von einem gemeinsamen Ausgangskoppler emittiert. Eine Lasersteuerung steuert die Laserköpfe, um Impulse in schneller Folge zu emittieren, wie z.B. Impulspaare, die durch ein Zeitintervall von weniger als ungefähr eine Millisekunde beabstandet sind und in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von ungefähr 0 (überlappend) bis ungefähr 100 Mikrosekunden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Lasersystem einen Laserresonator auf, der ein erstes Laserverstärkungsmodul, ein zweites Laserverstärkungsmodul und einen gemeinsamen Ausgangskoppler aufweist, der Impulse erregt, die in einem Ausgangsstrahlpfad überlagert sind. Die Steuerung ist mit den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen gekoppelt und erzeugt einen ersten Impuls durch das erste Laserverstärkungsmodul und einen zweiten Impuls durch das zweite Laserverstärkungsmodul, wobei die ersten und zweiten Impulse durch ein steuerbares Zeitintervall zeitlich voneinander beabstandet sind.
In einer Ausführungsform wird ein System, das für die Metrologie angepaßt ist, wobei eine Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung PIV verwendet wird, bereitgestellt. In solchen Ausführungsformen ist ein Strahlaufweiter, wie z.B. eine zylindrische Linse, in dem Ausgangsstrahlpfad vorgesehen, der die Impulse in einer Dimension aufweitet, um gepulste Beleuchtungswände zu bilden. Eine Kamera wird verwendet, um Bilder der gepulsten Beleuchtungswände zur Analyse aufzunehmen.
In einer Ausführungsform haben die ersten und zweiten Lasermodule im wesentlichen gleiche Spezifikationen, so daß die erzeugten Impulse im wesentlichen miteinander übereinstimmen.
Ausführungsformen der Erfindung weisen einen in der Kavität angeordneten Polarisator auf, der so angeordnet ist, daß er von den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen emittierte Impulse auf einem einzigen Strahlpfad vereinigt. Ein Polarisationsdreher ist mit einem der ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule verbunden und dreht die Polarisation um ungefähr 90°. Auf diese Weise kann die Polarisation verwendet werden, um die Impulse von den getrennten Laserverstärkungsmodulen auf einer einzigen Strahllinie für einen Ausgang durch den gemeinsamen Ausgangskoppler zu koppeln.
Ausführungsformen der Erfindung können sichtbare Impulse erzeugen. In einigen Ausführungsformen erzeugen die Laserverstärkungsmodule Impulse bei einer primären Wellenlänge, wie z.B. einer infraroten Wellenlänge, und der Resonator weist einen Oberwellengenerator auf, um eine primäre Wellenlänge in eine harmonische Wellenlänge für einen Ausgang in dem sichtbaren Bereich umzuwandeln. In einigen Ausführungsformen, die wie oben beschrieben eine Polarisationskopplung verwenden, weisen die Laserverstärkungsmodule Festkörperverstärkungsmedien auf, die die Polarisation der Strahlen in dem Resonator nicht wesentlich beeinflussen, wie z.B. Nd:YLF. Auch weist in einigen Ausführungsformen, die eine Polarisationskopplung in der Kavität verwenden, der Oberwellengenerator einen Generator für die zweite Harmonische vom Typ II auf, darüber hinaus weist er ein Material, wie z.B. LBO auf, das die Polarisation der Strahlen in dem Oberwellengenerator nicht wesentlich beeinflußt.
In noch weiteren Ausführungsformen weist der Resonator einen resonanten Pfad auf, mit einem Ausgangsstrang, einem ersten Verstärkungsstrang und einem zweiten Verstärkungsstrang, mit
optischen Komponenten, einschließlich einem Ausgangskoppler und einem Polarisator, die den Ausgangsstrang bilden,
optischen Komponenten, einschließlich einem ersten Güteschalter, einem ersten Laserverstärkungsmodul und einem ersten hochreflektierenden Spiegel, die den ersten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das erste Laserverstärkungsmodul zu dem ersten hochreflektierenden Spiegel bilden, und
optischen Komponenten, einschließlich einem zweiten Güteschalter, einem zweiten Laserverstärkungsmodul, einem Polarisationsdreher und einem zweiten hochreflektierenden Spiegel, die einen zweiten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das zweite Laserverstärkungsmodul zu dem zweiten hochreflektierenden Spiegel bilden,
wobei Strahlen in den ersten und zweiten Verstärkungssträngen an dem Polarisator zu dem Ausgangsstrang verbunden werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform weist der Laserresonator einen resonanten Pfad auf, mit optischen Komponenten, einschließlich einem Ausgangskoppler, einem Oberwellengenerator vom Typ II und einem Polarisator, die den Ausgangsstrang bilden,
optischen Komponenten, einschließlich einem ersten elektrooptischen Güteschalter, einem ersten Nd:YLF-Laserverstärkungsmodul und einem ersten hochreflektierenden Spiegel, die den ersten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das erste Laserverstärkungsmodul zu dem ersten hochreflektierenden Spiegel bilden, und
optischen Komponenten, einschließlich einem zweiten elektrooptischen Güteschalter, einem zweiten Nd:YLF-Laserverstärkungsmodul, einem Polarisationsdreher und einem zweiten hochreflektierenden Spiegel, die einen zweiten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das zweite Laserverstärkungsmodul zu dem zweiten hochreflektierenden Spiegel bilden, Strahlen in den ersten und zweiten Verstärkungspfaden, die an dem Polarisator in den Ausgangsstrang verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen weist der Ausgangsstrang einen Oberwellengenerator auf und der Ausgangskoppler in dem Ausgangsstrang weist eine Komponente auf, die für eine von den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen erzeugte Primärwellenlänge hochgradig reflektierend ist und die für eine in dem Oberwellengenerator erzeugte harmonische Wellenlänge zumindest teilweise durchlässig ist. In einer Ausführungsform, die einen Oberwellengenerator aufweist, weist der Ausgangsstrang einen hochreflektierenden Spiegel für die in dem Oberwellengenerator erzeugte harmonische Wellenlänge auf und der Ausgangskoppler ist so eingerichtet, daß er Licht bei der Primärwellenlänge längs einer Strahllinie durch den Oberwellengenerator auf den hochreflektierenden Spiegel reflektiert und Licht bei der harmonischen Wellenlänge von dem Oberwellengenerator in den Ausgangsstrahlpfad durchläßt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine einzige Laserkonstruktion mit zwei getrennt steuerbaren Güteschaltern und aktiven Laserverstärkungsmodulen bereit. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird keine externe Laserpfadvereinigung benötigt, um Impulse auf einer einzigen Strahllinie zu vereinigen. Die beiden aktiven Verstärkungsmodule sind innerhalb eines einzigen Laserresonators mit einem Polarisator in der Kavität miteinander gekoppelt und benutzen gemeinsam einen Ausgangskoppler und/oder einen Kristall zur Erzeugung von Oberwellen. Da beide Module den gleichen Ausgangskoppler und einen Teil der optischen Komponente in der resonanten Kavität gemeinsam benutzen, sind ihre Ausgangsparameter viel näher beieinander als beim Verwenden zweier unabhängiger Laser erzeugt werden kann und die Impulse sind automatisch überlagert und ausgerichtet. Daher liefert die vorgeschlagene Konstruktion ein robusteres, preiswerteres und einfacher zu verwendendes PIV-Lasersystem, das verbesserte optische Eigenschaften aufweist.
Andere Aspekte und Vorzüge der vorliegenden Erfindung sind bei Betrachtung der Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen, die folgen, ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nur in Form eines Beispiels weiter gemäß bevorzugten Ausführungsformen davon beschrieben, so wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 zeigt eine optische Anordnung aus dem Stand der Technik eines herkömmlichen Systems zur PIV, das zwei unabhängige Laser verwendet.
2 zeigt eine Laseranordnung aus dem Stand der Technik zur PIV, die mit zwei unabhängigen IR-Lasern realisiert ist, deren Strahlen vereinigt werden, wobei externe Optiken verwendet werden.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine Polarisationskopplung in der Kavität und ein Oberwellengenerator in der Kavität verwendet werden.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Lasersystems der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein PIV-System mit einem Lasersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird gemäß 3 bis 5 gegeben.
Ein Lasersystemdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Das Lasersystem aus 3 weist einen verzweigten Resonator mit zwei Verstärkungsmedien (350A und 350B) und einen einzigen Ausgangskoppler 354 auf. Der verzweigte Resonator hat einen Ausgangsstrang 362, einen ersten Verstärkungsstrang 360 und einen zweiten Verstärkungsstrang 361. Ein erster Satz von optischen Komponenten bildet den Ausgangsstrang 362 innerhalb des Resonators mit dem Ausgangskoppler 354, einem Oberwellengenerator 358 und einem Polarisator 356. Ein zweiter Satz von optischen Komponenten einschließlich einem ersten Spiegel 351A, einem ersten Laserverstärkungsmodul 350A, einem ersten Güteschalter 353A und einem Spiegel 355 bilden den ersten Verstärkungsstrang 360. Der erste Verstärkungsstrang bildet einen optischen Pfad durch das erste Laserverstärkungsmodul 350A zwischen dem Polarisator 356 und dem ersten Spiegel 351A. Das Lasersystem weist einen dritten Satz von optischen Komponenten einschließlich einem ersten Spiegel 351A, einem zweiten Verstärkungsmodul 350B, einem zweiten Güteschalter 351B und einer Lambda-Halbe-Platte 359 auf, die den zweiten Verstärkungsstrang 361 bilden. Der zweite Verstärkungsstrang 361 bildet einen optischen Pfad durch das zweite Laserverstärkungsmodul 350B und zwischen dem Polarisator 356 und dem zweiten Spiegel 351B. Die ersten und zweiten Verstärkungsstränge 361, 361 werden an dem Polarisator in den Ausgangsstrang 362 vereinigt, so daß in den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen 350A, 350B erzeugte Impulse in dem Ausgangsstrang 362 überlagert sind
In dem Ausgangsstrang 362 laufen Impulse von den ersten und zweiten Verstärkungssträngen 360 und 361 durch einen Oberwellengenerator 358, der in diesem Beispiel die Wellenlange der Impulse von einer Primärwellenlänge in eine Harmonische der Primärwellenlänge umwandelt. Zum Beispiel wandelt der Oberwellengenerator, wenn die Primärwellenlänge 1064 Nanometer beträgt, so wie sie in einem Nd-dotierten Lasermedium erzeugt wird, die Laserenergie in eine sichtbare Harmonische, wie z.B. die zweite Harmonische bei 532 Nanometer, um. Andere Ausführungsformen können den Oberwellengenerator außerhalb des Laserresonators verwenden.
Der Ausgangskoppler 354 weist, wenn es, wie in 3 gezeigt, einen Oberwellengenerator in der Kavität gibt, eine Komponente auf, die bei der Primärwellenlänge hochgradig reflektierend ist und bei der harmonischen Wellenlänge zumindest teilweise durchlässig ist, so daß Laserimpulse bei der harmonischen Wellenlänge aus dem einzigen Ausgangskoppler 354 von dem Lasersystem emittiert werden. Die Impulse von den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen werden längs eines einzigen Ausgangsstrahlpfades 364 überlagert.
Die Lasersteuerung 340 ist mit den Güteschaltern 353A, 353B und den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen 350A, 350B in den ersten und zweiten Verstärkungssträngen des Resonators verbunden. Die Lasersteuerung 340 stellt Steuersignale zur Verfügung, um Pumpenergie auf die Verstärkungsmedien in den Verstärkungsmodulen zu übertragen und um die Güteschalter so zu betreiben, daß Paare von im wesentlichen identischen Impulsen in schneller Folge erzeugt werden. In der beschriebenen Ausführungsform sind zwei Verstärkungszweige zum Erzeugen zweier Impulse gezeigt, die zeitlich dicht beabstandet sind und die auf einem einzigen Ausgangsstrahlpfad überlagert sind. Andere Ausführungsformen können mehr als zwei Zweige zum Erzeugen von mehr als zwei Impulsen verwenden.
Eine detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. Diese Ausführungsform weist auch einen verzweigten Laserresonator mit einem ersten Verstärkungsstrang 460 und einem zweiten Verstärkungsstrang 461 auf. Der erste Verstärkungsstrang 460 und der zweite Verstärkungsstrang 461 werden durch Verwenden einer Polarisationskopplung in der Kavität in einem gefalteten Ausgangsstrang einschließlich Segmenten 462 und 463 überlagert. Die optischen Komponenten, die den verzweigten Laserresonator bilden, sind auf einer einzigen Platte innerhalb einer einzigen Schutzkiste befestigt. Dies erleichtert eine Temperatursteuerung und die Handhabung mechanischer Vibrationen für die beiden Zweige des Laserresonators. Zusätzlich erlaubt dies die vorsichtige Ausrichtung der Komponenten während einer Herstellung für eine präzisere räumliche Überlagerung der Ausgangsimpulse.
Der gefaltete Ausgangsstrang wird durch optische Komponenten gebildet, einschließlich einem Polarisator 456, einem Ausgangskoppler 454, einem Oberwellengenerator 458 und einem hochreflektierenden Spiegel 457. Der erste Verstärkungsstrang 460 wird von optischen Komponenten einschließlich einem hochreflektierenden Spiegel 451A, einer Kavitätskompensationslinse 452A, einem Laserverstärkungsmodul 454A, einem Güteschalter 453A und einem Ablenkspiegel 455 gebildet. Der zweite Verstärkungsstrang 460 wird durch optische Komponenten einschließlich einem hochreflektierenden Spiegel 451B, einer Kavitätskompensationslinse 452B, einem Laserverstärkungsmodul 450B, einem Güteschalter 453B und einer Lambda-Halbe-Platte 459 gebildet.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind der hochreflektierende Spiegel 451A, der hochreflektierende Spiegel 451B, der Ausgangskoppler 454 und der hochreflektierende Spiegel 457 im wesentlichen ebene Spiegel. Die Kavitätkompensationslinsen 452A und 452B stabili sieren die resonante Kavität. Andere Anordnungen von optischen Komponenten können zum Bilden der resonanten Kavität verwendet werden, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Ausführungsformen der Erfindung realisieren die Laserverstärkungsmodule 450A, 450B mit Verstärkungsmedien und Pumpquellen, die im wesentlichen identische Spezifikationen aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verstärkungsmedium ein Festkörpermedium auf, das die Polarisation des Lichts, das durch das Medium resoniert, nicht wesentlich beeinflußt. Zum Beispiel können die Laserverstärkungsmodule diodengepumptes Nd:YLF aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann Nd:YAG als das Verstärkungsmedium verwendet werden, wobei die Doppelbrechung des Laserkristalls in dem System kompensiert wird oder ansonsten toleriert wird. Auch sind andere Pumpquellen zur Verwendung in den Laserverstärkungsmodulen verfügbar, einschließlich Bogenlampen, Blitzlampen u.ä.
Die Güteschalter 453A, 453B sind in einem Beispiel realisiert, wobei eine elektrooptische Güteschaltung verwendet wird. Andere Ausführungsformen können akustooptische Güteschalter verwenden. Darüber hinaus können andere Mittel zum Bewirken einer Impulserzeugung in dem Lasersystem verwendet werden. Um die Gleichförmigkeit der in den ersten und zweiten Verstärkungssträngen erzeugten Impulse zu verbessern, sind die Güteschalter 453A, 453B so gewählt, daß sie im wesentlichen identische Spezifikationen aufweisen.
Der Ablenkspiegel 455 lenkt die Impulse in dem ersten Verstärkungsstrang 460 auf den Polarisator 456. Der Polarisator 456 ist so eingerichtet, daß er in einer ersten Polarisationsrichtung polarisierte Impulse auf das erste Segment 462 des Ausgangsstrangs in dem verzweigten Resonator reflektiert. Die Lambda-Halbe-Platte 459 in dem zweiten Verstärkungsstrang 461 dreht die Polarisation von Strahlen auf dem zweiten Verstärkungsstrang 461 um 90° gegenüber der ersten Polarisationsrichtung. Der Polarisator 456 ist so eingerichtet, daß er Impulse, die eine gedrehte Polarisation aufweisen, von dem zweiten Verstärkungsstrang 461 in das erste Segment 462 des Ausgangsstrangs in dem verzweigten Resonator durchläßt.
Der Ausgangskoppler 454 weist in dieser Ausführungsform eine optische Komponente auf, die bei der in den Laserverstärkungsmodulen 450A, 450B, erzeugten Primärwellenlänge, wie z.B. der Wellenlänge von 1064 nm, die erzeugt wird, wobei Neodym-dotierte Laserkristalle verwendet werden, hochgradig reflektierend ist. Daher werden Impulse bei der Primärwellenlänge von dem ersten Segment 462 des Ausgangsstrangs durch den Oberwellengenerator 458 in das zweite Segment 463 des Ausgangsstrangs reflektiert. Der hochreflektierende Spiegel 457 ist in dieser Ausführungsform bei sowohl der primären als auch den harmonischen Wellenlängen hochgradig reflektierend. Der Ausgangskoppler 454 ist zumindest teilweise bei der zweiten har monischen Wellenlänge von 532 nm durchlässig und ermöglicht es Impulsen bei der zweiten harmonischen Wellenlänge von dem zweiten Segment 463 des Ausgangsstrangs von dem Laserresonator als Ausgangsimpulse auf der Ausgangsstrahllinie 464 emittiert zu werden.
Der Oberwellengenerator 458 ist in dieser Ausführungsform realisiert, wobei ein Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Typ II, wie z.B. LBO oder KTP, verwendet wird. Darüber hinaus ist er vorzugsweise realisiert, wobei LBO oder ein anderes Material, das keine bedeutende Doppelbrechung zeigt, die die Polarisation des Lichts bei der Primärwellenlänge beeinflussen würde, verwendet wird. Der Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Typ II ist unter einem Winkel von 45° zur Achse der Polarisation des Lichts bei der Primärwellenlange von den ersten und zweiten Verstärkungssträngen 460, 461 ausgerichtet.
Die Lasersteuerung 440 ist in einigen Ausführungsformen realisiert, wobei ein programmierbarer Computer und Unterstützungselektroniken verwendet werden. Die Lasersteuerung 440 arbeitet, um den Laserresonator zu veranlassen, Impulspaare zu erzeugen, wobei die Impulse innerhalb eines Paares um ein Zeitintervall von ungefähr einer Mikrosekunde bis ungefähr 100 Mikrosekunden beabstandet sind. Vorzugsweise ist das Zeitintervall des Abstandes der Impulse über einen Bereich von nahezu 0 (überlappend) bis zu einer Millisekunde oder mehr einstellbar, so daß der Betreiber einen Impulsabstand verwenden kann, der für eine bestimmte Verwendung geeignet ist. Die Wiederholrate der Impulspaare ist in einer Ausführungsform einstellbar von Einzelschußimpulspaaren bis zu den Grenzen der Güteschaltung in dem Laserresonator. Zum Beispiel kann die Spitzenwiederholrate für Impulspaare so hoch sein wie 100 kHz, wobei kommerziell verfügbare akustooptische Güteschalter verwendet werden. In PIV-Ausführungsformen ist die Wiederholrate für Impulspaare so eingestellt, daß sie mit der Frame-Rate der Kamera, die die Bilder aufnimmt, die typischerweise von ungefähr 1 Hertz bis ungefähr 5 kHz reicht, übereinstimmt, mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung für jedes Verstärkungsmodul von 10 bis 15 Watt.
Die Impulsdauer für Impulse in den Impulspaaren ist vorzugsweise im wesentlichen gleich, in einem Bereich von ungefähr 5 Nanosekunden bis ungefähr 200 Nanosekunden Länge, in Abhängigkeit von dem Verstärkungsmedium. Die Leistung der individuellen Impulse beträgt in einer repräsentativen Ausführungsform ungefähr 10 Millijoule pro Impuls und kann z.B. gemäß der Sensitivität der Kamera und anderen Systemparametern eingestellt werden.
Die Lasersteuerung 440 kann Triggergate-Elektroniken für die Güteschalter und Pumpquellen aufweisen, die kalibriert sein können, um Änderungen der optischen Komponenten zu kompensieren, so daß eine genaue Steuerung der Zeithaltung und der Energie der Impulspaare erreicht werden kann.
5 stellt ein PIV-System mit einem Laser, der aus einem 2-Medium-Resonator 502 aufgebaut ist, der verwendet wird, um Impulse in rascher Folge zu erzeugen, wie z.B. Impulspaare (schematisch Impulspaar 505). Impulse von dem 2-Medium-Resonator 502 werden auf einer einzigen Strahllinie auf einem Pfad 504 durch eine sphärische Linse 515 auf ein Prisma 520 emittiert. Das Prisma 520 richtet die Impulspaare auf eine zylindrische Linse 521 oder auf andere Strahlaufweitungsoptiken, die die Impulspaare in eine gepulste Beleuchtungswand 525 in dem Fluidfluß 540 aufweiten. In dieser Ausführungsform sind die Linse 504, das Prisma 520 und die Linse 521 auf einer von dem Laserresonator 502 getrennten Platte befestigt. In anderen Ausführungsformen können diese Komponenten während der Herstellung an dem Resonator 502 befestigt werden.
Die gepulste Beleuchtungswand 525 beleuchtet Teilchen 531 innerhalb eines Fluidflusses 540 und die so beleuchteten Teilchen bilden ein doppelt belichtetes Bild 532 in einer Kamera 533, das eine Bewegung der Teilchen in dem Fluß 540 zwischen den Impulsen in dem Impulspaar 505 zeigt. So aufgenommene Teilchenbilder werden von einem Computer verarbeitet, wobei eine PIV-Analyse ausgeführt werden kann.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen hierin beschrieben wurden, ist es offensichtlich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definieren den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.

Claims

Lasersystem mit: einem Laserresonator, der ein erstes Laserverstärkungsmodul (350A) mit einem ersten Verstärkungsmedium und einer ersten Pumpenergiequelle, ein zweites Laserverstärkungsmodul (350B) mit einem zweiten Verstärkungsmedium und einer zweiten Pumpenergiequelle und einem gemeinsamen Ausgangskoppler (354) aufweist, wobei Impulse erzeugtt werden, die gemeinsam in einem Ausgangsstrahlpfad (364) angeordnet sind, wobei das erste Laserverstärkungsmodul so betreibbar ist, daß Impulse bei einer Primärwellenlänge erzeugt werden und das zweite Laserverstärkungsmodul so betreibbar ist, daß Impulse erzeugt werden, die eine Wellenlänge aufweisen, die im wesentlichen gleich der Primärwellenlänge ist und einer Steuerung (340), die mit den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen verbunden ist, die einen ersten Impuls mit dem ersten Laserverstärkungsmodul und einen zweiten Impuls mit dem zweiten Laserverstärkungsmodul erzeugt, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, daß sie die ersten und zweiten Impulse in einem Zeitintervall von weniger als ungefähr 1 Millisekunde zeitlich zueinander beabstandet erzeugt.
Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule im wesentlichen gleiche Spezifikationen aufweisen.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall weniger als ungefähr 100 Mikrosekunden beträgt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit ersten und zweiten Güteschaltern (353A, 353B), die mit den ersten bzw. zweiten Laserverstärkungsmodulen verbunden sind.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule entsprechende Festkörperverstärkungsmedien aufweisen.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Polarisator (356), der so angeordnet ist, daß er Impulse, die von den ersten und zweiten Laserverstärkungsmodulen emittiert werden, in einem gemeinsamen Strahlpfad zusammenführt und mit einem Polarisations dreher (359), der mit einem der ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule verbunden ist, der die Polarisation um ungefähr 90 Grad dreht.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Oberwellengenerator (358), wobei der Oberwellengenerator die Polarisation von Strahlen nicht wesentlich beeinflußt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Oberwellengenerator (358) in dem Ausgangsstrahlpfad und wobei der Ausgangskoppler für die Primärwellenlänge hochreflektierend und für eine Harmonische der Primärwellenlänge zumindest teilweise durchlässig ist.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule Neodym-dotierte Laserkristalle aufweisen.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule diodengepumpte Neodym-dotierte Laserkristalle aufweisen.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Erzeuger für die zweite Harmonische vom Typ II in dem Laserresonator, wobei die ersten und zweiten Lasermodule diodengepumpte Nd:YLF aufweisen.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse Impulsbreiten von weniger als ungefähr 100 Nanosekunden aufweisen.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Strahlaufweiter (521) in dem Ausgangspfad, um Energie von den Impulsen auf eine Beleuchtungsfläche zu verteilen und mit einem bildgebenden System, das so eingerichtet ist, daß es ein Bild von Teilchen aufnimmt, die während der ersten und zweiten Impulse in die Beleuchtungsfläche fliegen.
Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen resonanten Pfad mit einem Ausgangsstrang, einem ersten Verstärkungsstrang und einem zweiten Verstärkungsstrang aufweist, wobei der Laserresonator aufweist: optische Komponenten, einschließlich einem Ausgangskoppler (354) und einem Polarisator (356), die den Ausgangsstrang bilden, optische Komponenten, einschließlich einem ersten Güteschalter (353A), dem ersten Laserverstärkungsmodul (350A) und einem ersten hochreflektierenden Spiegel (351A), die den ersten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das erste Verstärkungsmodul zu dem ersten hochreflektierenden Spiegel bilden und optische Komponenten, einschließlich einem zweiten Güteschalter (353B), dem zweiten Laserverstärkungsmodul (350B), einem Polarisationsdreher (359) und einem zweiten hochreflektierenden Spiegel (351B), die einen zweiten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das zweite Laserverstärkungsmodul zu dem zweiten hochreflektierenden Spiegel bilden, Strahlen in den ersten und zweiten Verstärkungssträngen, die an dem Polarisator zu dem Ausgangsstrang verbunden werden und die Steuerung, die darüber hinaus mit den ersten und zweiten Güteschaltern verbunden ist und wobei die ersten Impulse und die zweiten Impulse durch den Ausgangskoppler von dem Laserresonator gemeinsam auf einen Ausgangsstrahl emittiert werden.
Lasersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Impulse Impulsbreiten von weniger als ungefähr 100 Nanosekunden aufweisen.
Lasersystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrang einen Oberwellengenerator (358) aufweist und der Ausgangskoppler (354) in dem Ausgangsstrang eine Komponente aufweist, die für die Primärwellenlänge hochreflektierend ist und die für eine harmonische Wellenlänge, die in dem Oberwellengenerator erzeugt wird, zumindest teilweise durchlässig ist.
Lasersystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrang einen Oberwellengenerator (358) aufweist und der Ausgangskoppler (354) in dem Ausgangsstrang eine stark reflektierende Komponente für die Primärwellenlänge aufweist, die zumindest teilweise für eine harmonische Wellenlänge, die in dem Oberwellengenerator erzeugt wird, durchlässig ist und wobei der Ausgangsstrang einen hochreflektierenden Spiegel für die in dem Oberwellengenerator erzeugte harmonische Wellenlänge aufweist, wobei der Ausgangskoppler so eingerichtet ist, daß er Licht in der Primärwellenlänge von dem Polarisator entlang einer Strahllinie durch den Oberwellengenerator auf den hochreflektierenden Spiegel reflektiert und Licht in der harmonischen Wellenlänge von dem Oberwellengenerator auf den Ausgangsstrahlpfad durchläßt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule und die ersten und zweiten Güteschalter in den ersten und zweiten Verstärkungssträngen im wesentlichen gleiche Spezifikationen aufweisen.
Lasersystem nach Anspruch 14 oder 15 mit einem Oberwellengenerator (358) in dem Ausgangsstrang und wobei der Oberwellengenerator die Polarisation von Strahlen nicht wesentlich beeinflußt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule Verstärkungsmedien aufweisen, die die Polarisation von Strahlen nicht wesentlich beeinflussen.
Lasersystem nach Anspruch 14 oder 15, mit einem Oberwellengenerator in dem Ausgangsstrang und wobei der Oberwellengenerator einen Generator zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Typ II aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 14 oder 15, mit einem Oberwellengenerator in dem Ausgangsstrang und wobei der Oberwellengenerator LBO aufweist.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserverstärkungsmodule Medien mit Nd:YLF aufweisen.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Güteschalter elektrooptische Güteschalter aufweisen.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse sichtbare Laserimpulse aufweisen.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 25, mit einem Strahlaufweiter (521) in dem Eingangspfad, um Energie von den Impulsen auf eine Beleuchtungsfläche zu verteilen und mit einem bildgebenden System (533), das so eingerichtet ist, daß es ein Bild von Teilchen aufnimmt, die während der ersten und zweiten Impulse in die Beleuchtungsfläche fließen.
System zur Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung mit: einem Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Optiken (521), die in dem Ausgangsstrahlpfad so angeordnet sind, daß sie die Impulse aufweiten, um eine gepulste Beleuchtungsfläche zu erzeugen und einer Kamera (533), um Bilder der gepulsten Beleuchtungsfläche aufzunehmen.
System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen Resonatorpfad mit einem Ausgangsstrang, einem ersten Verstärkungsstrang und einem zweiten Verstärkungsstrang aufweist, wobei der Laserresonator aufweist: optische Komponenten, einschließlich einem Ausgangskoppler (354), einem Oberwellengenerator vom Typ II (358) und einem Polarisator (356), die den Ausgangsstrang bilden, optische Komponenten, einschließlich einem ersten elektro-optischen Güteschalter (353A), einem ersten Nd:YLF-Laserverstärkungsmodul (350A) und einem ersten hochreflektierenden Spiegel (351A), die den ersten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das erste Laserverstärkungsmodul zu dem ersten hochreflektierenden Spiegel bilden und optische Komponenten, einschließlich einem zweiten elektrooptischen Güteschalter (3538), einem zweiten Nd:YLF-Laserverstärkungsmodul (350B), einem Polarisationsdreher (359) und einem zweiten hochreflektierenden Spiegel (351B), die einen zweiten Verstärkungsstrang von dem Polarisator durch das zweite Laserverstärkungsmodul zu dem zweiten hochreflektierenden Spiegel bilden, Strahlen in den ersten und zweiten Verstärkungsstrangen, die an dem Polarisator in den Ausgangsstrang verbunden werden.
System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskoppler in dem Ausgangsstrang eine Komponente aufweist, die für die Primärwellenlänge hochreflektierend ist und die für eine harmonische Wellenlänge, die in dem Oberwellengenerator erzeugt wird, im wesentlich durchlässig ist und wobei der Ausgangsstrang einen hochreflektierenden Spiegel für die in dem Oberwellengenerator erzeugte harmonische Wellenlänge aufweist, wobei der Ausgangskoppler so eingerichtet ist, daß er Licht in der Primärwellenlänge von dem Polarisator entlang einer Strahllinie durch den Oberwellengenerator zu dem hochreflektierenden Spiegel reflektiert und Licht in der harmonischen Wellenlänge von dem Oberwellengenerator auf den Ausgangsstrahlpfad durchläßt.