Лазерный доплеровский измеритель скорости (LDV), также известный как лазерный доплеровский анемометр (LDA), представляет собой тип интерферометра, который измеряет скорость объектов с помощью лазерного света. Объектами могут быть микроскопические частицы в жидкости или твердые поверхности - эта концепция используется даже в некоторых лазерных мышах высокого класса.

Лазерный луч разделяется, и две «руки» пересекаются за пределами датчика. Эта область пересечения называется пробным объемом. Поскольку два плеча исходят из одного луча, при их пересечении образуется интерференционная картина, а светлые и темные полосы образуются внутри объема зонда. Эти полосы называются «бахромой».

Два луча должны быть сфокусированы в объеме зонда для:

• cоздания минимально возможной зоны пересечения (увеличения «яркости» света, отраженного частицами), и
• для обеспечения того, чтобы расстояние между полосами внутри объема зонда не сильно менялось. Это критическое выравнивание легко поддерживается конструкцией miniLDV, поскольку оба плеча интерферометра проходят через одну и ту же индивидуальную оптику. Всегда существует некоторая «расходимость полос», поскольку физически невозможно построить систему, в которой расстояние между полосами в объеме зонда является абсолютно постоянным. Это связано с тем, что радиус волнового фронта лазера (согласно теории распространения луча) равен нулю только на перетяжке, которая является точной точкой фокусировки луча. Все продукты LDV от MSE созданы для достижения минимально возможного отклонения от этих границ.

По сути, LDV или LDA используют тот же эффект Доплера, который заставляет сирену проезжающей машины скорой помощи изменять высоту звука - за исключением того, что здесь эффект Доплера связан со светом, а не со звуком. Однако есть два способа интерпретировать, как LDV или LDA могут измерять скорость объекта. Более интуитивное объяснение (см. Рисунок) выглядит следующим образом.

Полосы, образованные интерференцией лучей, представляют собой образец света в пространстве. Когда частица проходит через объем зонда, она проходит через светлые и темные области, поэтому, если ее отраженный свет измеряется во время движения, кривая зависимости интенсивности от времени выглядит как синусоида с гауссовой огибающей. Синусоида — это физическое перемещение частицы через полосы. Физическое расстояние между полосами известно из калибровки, которая выполняется для каждого датчика. Таким образом, частота сигнала интенсивности прямо пропорциональна скорости частицы: скорость = расстояние между полосами x частота интенсивности.

Хотя это, возможно, менее интуитивно понятно, измерение все же работает, если объект, проходящий через объем зонда, представляет собой непрерывную поверхность. Это связано с тем, что объемы зонда настолько малы, что любые микроскопические детали на поверхности будут отражать различное количество света и вести себя так, как если бы поверхность была потоком отдельных частиц.

Чтобы измерить скорость таких потоков, как воздух или вода, в среде должно быть что-то, отражающее свет обратно. В воздухе частицы могут быть такими же маленькими, как частицы дыма от ароматической палочки; для воды иногда достаточно напора с частицами воздуха прямо из-под крана.

Второе объяснение показывает, как возникает «эффект доплера» в LDV / LDA.

Когда частица проходит через объем зонда, она будет иметь некоторую скорость V. Если векторы, соответствующие направлениям двух лучей, разложить в систему координат, где V - ось X, то всегда будет один луч, у которого «V -вектор » положителен, когда другой отрицателен. На самом деле это математический способ сказать, что частица всегда движется «навстречу» одному лучу и «от другого».

Подобно красному и синему смещению галактик, движущихся от нас или к нам, частица будет добавлять доплеровский сдвиг к свету, который она отражает от каждого луча: частота отраженного света выше для луча, к которому он движется, и ниже для другой. Это точно так же, как громкость сирены, когда скорая помощь приближается к вам, она выше, чем когда она уезжает от вас.

Частота света чрезвычайно высока. Для 658 нм (красного) лазера это 45,5 петагерца (45,5 квадриллионов циклов в секунду), поэтому для детектора он выглядит как непрерывный луч. Однако теперь частица отражает свет на 45,5 петагерц плюс немного и 45,5 петагерц минус немного. Когда эти волны достигают детектора, он регистрирует частоту «биений», не похожую на ту, которую вы слышите, когда нажимаете две соседние клавиши на пианино. Частота биений значительно ниже, чем частота одного луча. Эту частоту не только легко наблюдать, но и она напрямую связана с длиной волны света и скоростью частицы.

Чтобы эта частота биений была наблюдаемой, две световые волны (по одной от каждого луча), отраженные от частицы, должны быть созданы почти одновременно друг с другом. Вот почему один лазерный луч разделяется на два плеча. Если используются два независимых лазера, лучи совершенно не связаны и частота биений не наблюдается. Другими словами, два независимых источника света не будут мешать друг другу. У лазеров есть заданная «длина когерентности» или «время когерентности», указывающее, насколько одна волна от лазера будет мешать другой волне. Если они генерируются в одно и то же время, интерференция «идеальна»; если они генерируются в течение времени когерентности, частота биений все еще наблюдается, хотя и менее интенсивна, а если они генерируются вне времени когерентности, частота биений не наблюдается. Все продукты LDV от MSE предназначены для поддержания «длины оптического пути» каждого луча в пределах длины когерентности для обеспечения максимально возможного сигнала.

Когда два луча пересекаются в пространстве, как в классическом LDV / LDA, картина интерференции не меняется с пространством. Это означает, что

• невозможно узнать, двигалась ли частица слева направо или справа налево, и
• невозможно измерить очень низкие скорости, потому что частице потребуется слишком много времени, чтобы пройти через яркий свет. и темная область (в качестве альтернативы, частота биений слишком низкая).

Хитрость заключается в том, чтобы добавить доплеровский сдвиг к самим лучам. Когда LDV имеет «сдвиг частоты», лучи уже имеют разность частот, когда они находятся в космосе, поэтому, если частица имеет нулевую скорость, записанный сигнал будет иметь ту же частоту, что и разность частот между двумя лучами.

Эффективная частота сигнала - это сумма частоты, обусловленной частицей, и частоты сдвига. Поэтому, когда частица движется в одну сторону, она увеличивает частоту сдвига; в противном случае он будет вычитаться - и если у него есть нулевая скорость, он вообще не изменит частоту сдвига. С другой стороны, полосы движутся в пространстве, поэтому фактическое измерение - это скорость частицы относительно скорости полос. MiniLDV от MSE можно заказать со сдвигом частоты или без него. Для сверхстабильных приложений с частотным сдвигом (для измерения чрезвычайно низких скоростей) MSE предлагает линейку ultraLDV.

Следует отметить, что любой LDV или LDA измеряет только компонент скорости вдоль направления интерференционной картины, поэтому прибор должен быть выровнен по потоку (или какому-либо известному направлению, чтобы можно было вносить корректировки в результаты). MSE также предлагает многокомпонентные системы: 2D miniLDV и 3D miniLDV.