一种用于Tomo-PIV的均匀体积激光生成系统和方法

一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统和方法
技术领域
1.本发明属于激光扩束技术领域，更具体地，涉及一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统和方法。


背景技术：

2.层析粒子图像测速技术(tomo-piv)是近年来发展的一种先进的三维流场测量方法，其由于在研究湍流三维相干结构的演变规律上的优势而得到广泛应用。tomo-piv的原理主要包含四个步骤，即流场照明，多相机记录流场，三维粒子图像重构以及三维互相关计算。其中，流场的照明质量直接对测量结果产生影响。由于相机需记录一定景深范围内的流场中的粒子图像，因此其对体积光的强度有较高的要求。此外，为了保证重构的质量，流场中不同位置光强需基本一致，且照明区域形状需较为规则。综合以上因素，学者们普遍选择高能量激光作为tomo-piv光源，并通过一系列镜片组合将输出的线激光扩束为体积光。目前普遍采用的激光扩束方案基本为凹凸透镜、柱面镜以及可调节光阑的组合。然而，高能激光器输出的线激光截面能量通常呈不均匀的高斯分布，由于上述方案中镜片均不具有匀光的功能，因此导致得到的体积光截面能量分布也不均匀，而上述不均匀现象会出现体积光边缘区域的粒子由于光强较弱而无法分辨的现象。另一方面，通过上述方案得到的体积光截面通常为椭圆形，后续需通过光阑截取获得规则的截面光斑，从而导致上诉方案存在较为严重的激光能量浪费的问题。随着tomo-piv测量技术对光源的要求的不断提高，光强分布不均问题逐渐被重视。
3.现有技术还涉及基于鲍威尔棱镜、柱面镜以及一系列直角棱镜的扩束方案。虽然体激光能量分布不均匀的问题得到了解决，但是该方案存在部件多，棱镜角度调整困难的缺点。为此，有必要提出一种结构简单，能量利用率高，且具有匀光功能的扩束方案，以简化照明系统构成并优化体积区域内流场的照明。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统和方法，其目的在于，利用了鲍威尔棱镜的匀光特性提出一种能量利用率高、光强分布均匀的基于双鲍威尔棱镜的体积激光生成系统和方法，由此解决tomo-piv技术中涉及的高斯激光束整形时存在的光强分布不均匀以及能量利用率低的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统，包括：
6.激光器，用于作为点光源发出出射光；
7.鲍威尔棱镜组，设置在所述出射光的出射光路上，用于将所述出射光进行多次一维扩束得到扩束体积光，所述扩束体积光的截面为矩形；
8.准直器，设置在所述扩束体积光的出射光路上，与所述鲍威尔棱镜组共焦放置，用于对所述扩束体积光进行准直得到均化体积光；
9.单向扩束组件，设置在所述均化体积光的出射光路上，用于对所述均化体积光进行扩束得到矩形体积光；所述矩形体积光为具有恒定厚度的单维度扩束体积光；
10.矩形狭缝组件，设置在所述矩形体积光的出射光路上，用于利用矩形狭缝对所述矩形体积光进行切割，得到矩形分布的规则体积光。
11.在其中一个实施例中，所述鲍威尔棱镜组包括：
12.第一鲍威尔棱镜，设置在所述出射光的出射光路上，用于对所述出射光进行一维扩束得到具有发散角的片光；
13.第二鲍威尔棱镜，与所述第一鲍威尔棱镜正交放置，用于对所述片光进行扩束，得到所述扩束体积光；
14.其中，所述第一鲍威尔棱镜与所述第二鲍威尔棱镜的方位角相差90
°
。
15.在其中一个实施例中，所述第一鲍威尔棱镜与所述第二鲍威尔棱镜贴合设置。
16.在其中一个实施例中，所述第一鲍威尔棱镜与所述第二鲍威尔棱镜间隔设置；通过微调所述第一鲍威尔棱镜与所述第二鲍威尔棱镜的间距能够实现体积光截面长宽比的调控，进而获得不同大小的扩束体积光。
17.在其中一个实施例中，所述准直器为凸透镜。
18.在其中一个实施例中，所述鲍威尔棱镜组与所述凸透镜共焦放置，所述鲍威尔棱镜组的发散角度和所述凸透镜的焦距与所述矩形体积光的宽度相关联。
19.在其中一个实施例中，所述单向扩束组件为平凹柱面镜。
20.在其中一个实施例中，当所述平凹柱面镜的扩散端为x方向，非扩散端为y方向放置时，所述平凹柱面镜的方位角为0
°
；当所述平凹柱面镜的非扩散端为x方向，扩散端为y方向放置时，所述平凹柱面镜的方位角为90
°
。
21.在其中一个实施例中，通过改变所述平凹柱面镜的焦距能够实现目标位置处所述矩形体积光对应光斑长度的调节。
22.按照本发明的另一方面，提供了一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成方法，应用于所述的均匀体积激光生成系统，包括：
23.利用激光器作为点光源发出出射光；
24.利用鲍威尔棱镜组将所述出射光进行多次一维扩束得到扩束体积光，所述扩束体积光的截面为矩形；
25.利用准直器对所述扩束体积光进行准直得到均化体积光；
26.利用单向扩束组件对所述均化体积光进行扩束得到矩形体积光；所述矩形体积光为具有恒定厚度的单维度扩束体积光；
27.利用矩形狭缝组件对所述矩形体积光进行切割，得到矩形分布的规则体积光。
28.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明提供的一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统，其利用了鲍威尔棱镜的匀光特性，高斯线激光通过鲍威尔棱镜后会被整形为光强分布较为均匀的面激光，随后再利用凸透镜将扩束体积光进行准直，最后利用平凹柱面镜将准直后的扩束体积光进行小角度的单方向发散，以提高其截面长度，可以得到均匀分布的截面为矩形体积光。
附图说明
29.图1为本发明一实施例中提供的用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统的扩束原理图；
30.图2为本发明一实施例中提供的鲍威尔棱镜组对应固定装置的结构示意图；
31.图3为本发明一实施例中提供的用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统的实物图；
32.图4a、图4b和图4c分别为本发明一实施例中矩形体积光在截面光斑长短轴方向以及光斑的形状分布图；
33.图4d为本发明一实施例中矩形体积光的实际光强分布图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
35.如图1所示，本发明提供了一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统，包括：
36.激光器，用于作为点光源发出出射光；
37.鲍威尔棱镜组，设置在出射光的出射光路上，用于将出射光进行多次一维扩束得到扩束体积光，扩束体积光的截面为矩形；
38.准直器，设置在扩束体积光的出射光路上，与鲍威尔棱镜组共焦放置，用于对扩束体积光进行准直得到均化体积光；
39.单向扩束组件，设置在均化体积光的出射光路上，用于对均化体积光进行扩束得到矩形体积光；矩形体积光为具有恒定厚度的单维度扩束体积光；
40.矩形狭缝组件，设置在矩形体积光的出射光路上，用于利用矩形狭缝对矩形体积光进行切割，得到矩形分布的规则体积光。
41.具体的，本发明提供的系统包括激光器，鲍威尔棱镜组，准直器，单向扩束组件和矩形狭缝组件。鲍威尔棱镜组中，两正交鲍威尔棱镜对激光器输出的高斯光束进行整形和能量均匀化，将高斯光转换为在横向和纵向上具有一定扩散角度的近方形均匀光斑；准直器将整形后的光束进行准直，得到具有一定尺寸，且在横向和纵向平行传输，能量均匀分布的近方形光斑。单向扩束组件用于将准直后的近方形光斑再次整形，得到一个方向上平行传输，能量均匀分布，另一方向具有一定的扩散角度的扩束体积光斑。在实际操作中，为了提高体积光边界光强度的规则性，提高后续拍摄过程中粒子图像的信噪比，采用矩形狭缝组件对出射的矩形光斑形状切割，得到规则且强度均匀的矩形光斑。
42.本发明提供的一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成系统，其利用了鲍威尔棱镜的匀光特性，高斯线激光通过鲍威尔棱镜后会被整形为光强分布较为均匀的面激光，随后再利用凸透镜将扩束体积光进行准直，最后利用平凹柱面镜将准直后的扩束体积光进行小角度的单方向发散，以提高其截面长度，理论上就可以得到均匀分布的截面为矩形体积光。需要注意的是，该体积光只在一定距离内具有优良的整形功能，超过这一距离后，其匀光性能以及整形功能会恶化。
43.其中，鲍威尔棱镜组包括交替放置在固定装置中的两个鲍威尔棱镜。鲍威尔棱镜为材质为k9玻璃，直径为10mm，发散角度为20度。k9玻璃属于一种性能优异的光学材料，折射效果及透光性较好，是国内常见的光学元件材料。固定装置结构如图2所示，其由套筒主体和两个固定螺丝(5，6)组成。其中，调节孔2用于套筒内两鲍威尔棱镜相对角度的调整，螺纹孔3用于套筒与支撑杆的连接。螺纹孔1，4用于安装固定螺丝进而实现两鲍威尔棱镜的固定。该固定装置可以实现两鲍威尔棱镜的固定以及正交放置，同时能够作为支撑杆和光学平台的衔接件连接固定。其中，保持第一鲍威尔棱镜凸棱水平(凸面朝前，朝向激光器设置)，第二鲍威尔棱镜凸棱竖直。通过光学导杆将固定装置连接固定。将功率为5w的激光器产生的波长为532nm，直径为1.5mm的高斯光束通过鲍威尔棱镜，调整激光器位置，使得光束与棱镜同轴放置，得到在横向和纵向发散的均匀光斑1。本发明的系统实物图如图3所示。
44.其中，准直器可以为凸透镜，将凸透镜固定在带有底座支架的圆形镜架内，并将其调整高度使得透镜使其与均匀光斑1同轴。调整滑台之间的距离，并通过凸透镜出射光斑在不同距离处的大小实现出射激光的准直，这里凸透镜与鲍威尔棱镜组的间距为100mm，最终得到边长为21mmx21mm的近方形均匀光斑。凸透镜直径50.8mm，焦距60mm，曲率半径为59.26，中心厚度14.40mm，边缘厚度3.0mm。夹具型号为内圈直径50.0mm，外圈直径65.0mm，上螺孔m6
×
1p，底螺孔m6
×
1p，中心高度34.0mm，高度68.0mm，夹持厚度10.8mm。
45.其中，单向扩束组件可以为平凹柱面镜，通过夹具将平凹柱面镜固定并调整其与准直后的光斑同轴，为了减小球面像差，将透镜曲面朝向准直光束。通过调整透镜放置相位(0/90
°
)，即可实现扩散维度方向的调整(水平/垂直)。由于透镜的加工精度有限，鲍威尔棱镜自身有厚度限制等原因，通过平凹透镜后的光斑只在一定距离范围内有较好的均匀性，因此，这里将平凹柱面镜放置在距离凸透镜50mm处。其中，柱面镜为无镀膜平凹柱面透镜，尺寸为53.0mm
×
50.8mm，焦距为-75.0mm，背焦为-76.3mm，半径为-38.8mm，中心厚度为2.0mm，边厚为11.13mm。柱面镜可以有效减小球差和色差，不改变入射光的均匀度。
46.其中，通过夹具将矩形狭缝固定在滑台上，调整其与光斑同轴，通过微调狭缝的宽度，对目标矩形光斑进行切割，保证在能量损耗较小的情况下得到规则的扩束体积光。狭缝距离平凹柱面镜200mm，最终得到宽度为20mm的准直矩形光。其中，矩形狭缝的缝长为100mm，该狭缝刀片单向开启，可通过细牙螺杆在0～20mm进行狭缝宽度的调整，能够实现不同厚度的体积光的切割。
47.在实验前，为了验证上述方案的可行性，首先利用光学模拟设计软件zemax软件模拟，其在截面光斑长短轴方向以及光斑的形状分布如图4a、图4b和图4c所示，可以清晰看到在距离激光器700mm处光斑尺寸为20x100mm的矩形光斑。通过x方向和y方向的能量分布曲线可知，该位置处能量基本满足平顶分布，沿着长轴和短轴方向能量分布的不均匀性小于10％.其中，图4d为本实施方案中所得实际光强分布，与模拟值基本符合。
48.在其中一个实施例中，鲍威尔棱镜组包括：第一鲍威尔棱镜，设置在出射光的出射光路上，用于对出射光进行一维扩束得到具有发散角的片光；第二鲍威尔棱镜，与第一鲍威尔棱镜正交放置，用于对片光进行扩束，得到扩束体积光；其中，第一鲍威尔棱镜与第二鲍威尔棱镜的方位角相差90
°
。
49.本发明中采用的透镜和棱镜的特性参数(焦距，发散角等)以及尺寸参数(直径，长、宽等)可以有多种组合选择，并且位置摆放会收到焦距的约束。具体遵循以下原则：(1)
第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜扩散角度相同，贴合放置(间距为0)，并保证棱镜方位角相差90
°
。(2)凸透镜与鲍威尔棱镜组(第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜)共焦放置，鲍威尔棱镜的发散角度和凸透镜的焦距可以根据矩形体积光的宽度进行选择。(3)平凹柱面镜的方位角(0/90
°
)可以根据扩束体积光的长轴扩散方向(横向、纵向)进行选择，其放置位置应尽量靠近凸透镜，以减小系统的空间占比。(4)为了便于调整各镜片之间的距离以及实现同轴，将各镜片通过相应固定支架连接在同一滑轨的若干滑块上。
50.有益效果：1、系统结构简单，仅有两块鲍威尔棱镜，一片凸透镜和一片柱面镜组成，加工校装公差宽松。2、系统通过两个正交放置的鲍威尔棱镜匀化了激光能量分布，有效消除了高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。同时，将圆形光整形为近矩形光斑，减少了后续激光通过矩形光阑时造成的激光能量的浪费。3.通过微调系统中两鲍威尔棱镜的间距，即可在一定范围内实现体积光截面长宽比的调控，进而获得不同大小的扩束体积光。4.凸透镜对光斑的准直性效果良好，可以通过更换不同焦距的凹透镜实现矩形光斑宽度的调节。5.系统利用平凹柱面透镜实现准直体积光单方向的扩束，可以在系统其他部件固定的情况下，通过更换不同焦距的柱面镜实现目标位置处矩形光斑长度的调节。
51.在其中一个实施例中，第一鲍威尔棱镜与第二鲍威尔棱镜贴合设置。
52.在其中一个实施例中，第一鲍威尔棱镜与第二鲍威尔棱镜间隔设置；通过微调第一鲍威尔棱镜与第二鲍威尔棱镜的间距能够实现体积光截面长宽比的调控，进而获得不同大小的扩束体积光。
53.在其中一个实施例中，准直器为凸透镜。
54.在其中一个实施例中，鲍威尔棱镜组与凸透镜共焦放置，鲍威尔棱镜组的发散角度和凸透镜的焦距能够根据矩形体积光的宽度进行选择。
55.在其中一个实施例中，单向扩束组件为平凹柱面镜。
56.在其中一个实施例中，当平凹柱面镜的扩散端为x方向，非扩散端为y方向放置时，平凹柱面镜的方位角为0
°
；当平凹柱面镜的非扩散端为x方向，扩散端为y方向放置时，平凹柱面镜的方位角为90
°
。
57.在其中一个实施例中，通过改变平凹柱面镜的焦距能够实现目标位置处矩形光斑长度的调节。
58.按照本发明的另一方面，提供了一种用于tomo-piv的均匀体积激光生成方法，应用于的均匀体积激光生成系统，包括：利用激光器作为点光源发出出射光；利用鲍威尔棱镜组对出射光进行多次一维扩束得到扩束体积光，扩束体积光的截面为矩形；利用准直器对扩束体积光进行准直得到均化体积光；利用用单向扩束组件对均化体积光进行扩束得到矩形体积光；矩形体积光为具有恒定厚度的单维度扩束体积光；利用矩形狭缝组件对矩形体积光进行切割，得到矩形分布的规则体积光。
59.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。