CN108226120B - 一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法，所述装置包括激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、染料盒、第一滤光片、第二滤光片、第一CCD相机镜头、第二CCD相机镜头、第一CCD相机、第二CCD相机，激光器输出的激光经平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜形成片状激光光束，片状激光光束作用于染料盒内的丙酮溶液产生激发荧光，激发荧光经第一滤光片、第一CCD相机镜头进入第一CCD相机，经第二滤光片、第二CCD相机镜头进入第二CCD相机。本发明利用丙酮PLIF对片状激光光束的尺寸和能量分布信息进行测量，用于优化片光整形***并修正激光能量波动带来的试验误差，提高激光光谱诊断试验的准确性。

Description

一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法

技术领域

本发明属于平面激光光谱诊断技术领域，涉及一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法。

背景技术

PLIF（平面激光诱导荧光技术，Planner Laser Induced Fluorescence）作为一种激光光谱诊断技术，可以应用于高速变化的浓度场与温度场的诊断。通过一定焦距的柱透镜将可调谐激光扩展准直为符合要求的平面片状光束，片光穿过需要诊断的流场时会有选择的激发流场中的示踪粒子，使示踪粒子中相应的电子受到激发从基态跃迁到激发态。激发态的电子再通过自发辐射从激发态回到基态并发出荧光。应用于PLIF的众多示踪剂中，丙酮应用较为广泛，丙酮作为一种PLIF示踪剂，适用于高速燃烧场，高超声速流场的诊断。

丙酮作为示踪剂的主要特点如下：

1、在室温条件下拥有较高的饱和蒸汽压，便于示踪剂投放。

2、丙酮受到激发后产生的荧光为蓝紫光（350~550nm），处于可见光波段，便于CCD相机的信号采集。

3、丙酮的荧光寿命很短，在高速流场诊断中便于“冻结”时间，有非常好的时间分辨率。

4、信号强度强，信噪比较高。

对于航天工程而言，空间飞行器在完成任务返回时都会在大气层中进行超高声速飞行，整个过程飞行器返回舱在大气中与高速气流的相互作用尤为关键。可以通过将相关飞行器模型置于风洞之中，采用PLIF技术分析飞行器模型在高超声速流场中周边流场的分布，实现流场可视化，了解在此流场中超高速气流对于飞行器的种种影响，这样可以为飞行器进一步优化设计提供相关的支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置及方法，利用丙酮平面激光诱导荧光技术（PLIF）对片状激光光束的尺寸（厚度，平行度）和能量分布信息进行测量，用于优化片光整形***并修正激光能量波动带来的试验误差，提高激光光谱诊断试验的准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，包括激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、染料盒、第一滤光片、第二滤光片、第一CCD相机镜头、第二CCD相机镜头、第一CCD相机、第二CCD相机，其中：

所述激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、染料盒沿X轴方向依次设置；

所述第二滤光片、第二CCD相机镜头、第二CCD相机沿Y轴方向依次设置；

所述第一滤光片、第一CCD相机镜头、第一CCD相机沿Z轴方向依次设置；

所述聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜和平凹透镜组成片状激光光束整形***；

所述染料盒上贴有标尺；

所述第一CCD相机平行于X-Y平面；

所述第二CCD相机平行于X-Z平面；

所述激光器输出的激光经平凹透镜扩束和准直凸柱透镜准直后再经聚焦凸柱透镜沿Y轴方向聚焦，形成垂直于Y-Z平面的片状激光光束，片状激光光束作用于染料盒内的丙酮溶液产生激发荧光，激发荧光经第一滤光片、第一CCD相机镜头进入第一CCD相机，激发荧光经第二滤光片、第二CCD相机镜头进入第二CCD相机。

一种利用上述装置实现测量片状激光光束尺寸和能量分布信息的方法，包括如下步骤：

步骤一、将染料盒内注入一定浓度的丙酮溶液，并置于片状激光光束传输路径上；

步骤二、激光经由平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜整形为片状激光光束，片状激光光束通过染料盒内观测区域，激发丙酮分子产生激发荧光；

步骤三、调整染料盒位置，片状激光光束端面接近染料盒上表面的刻度表尺，调整第一CCD相机及其镜头，刻度表尺和激发荧光同时在第一CCD相机成像，通过第一CCD相机获得片状激光光束的厚度分布信息；

步骤四、调整第二CCD相机及其镜头，使得像平面与片状激光光束位置重合，通过第二CCD相机获得片状激光光束平行度及能量分布信息。

本发明具有如下优点：

1、本发明为提高流场诊断的信噪比和准确度，专注于测量片状激光光束的尺寸和能量分布信息，基于此优化调节光束整形***得到高质量的片状激光并对激光能量分布不均匀带来的误差进行校正。

2、本发明适用于以丙酮作为示踪剂的流场平面激光诱导荧光诊断领域，可用于获得试用区域的片状激光光束尺寸和激光能量分布信息。

3、本发明提高了激光光谱诊断中片状激光调节精度，相比传统的人眼观测片光厚度并判断是否为平行光，本发明将精度提高到了10μm量级。

4、本发明可置于试验光路中，在不干扰试验过程的情况下实时记录片状激光光束能量分布信息，可通过能量分布归一化手段消除能量分布不均匀而导致的试验误差或错误。

附图说明

图1为本发明测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置的结构示意图；

图2为第一CCD相机拟拍摄实验测量图；

图3为第二CCD相机拟拍摄实验测量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，如图1所示，所述装置由激光器1、平凹透镜2、准直凸柱透镜3、聚焦凸柱透镜4、染料盒8、第一滤光片10、第二滤光片7、第一CCD相机镜头10、第二CCD相机镜头6、第一CCD相机12、第二CCD相机5构成，其中：

所述激光器1、平凹透镜2、准直凸柱透镜3、聚焦凸柱透镜4、染料盒8沿X轴方向依次设置；

所述第二滤光片7、第二CCD相机镜头6、第二CCD相机5沿Y轴方向依次设置；

所述第一滤光片10、第一CCD相机镜头11、第一CCD相机12沿Z轴方向依次设置；

所述聚焦凸柱透镜4、准直凸柱透镜3和平凹透镜2组成片状激光光束整形***；

所述染料盒8上贴有标尺；

所述第一CCD相机12平行于X-Y平面；

所述第二CCD相机5平行于X-Z平面；

所述激光器1输出的激光经平凹透镜2扩束和准直凸柱透镜3准直后再经聚焦凸柱透镜4沿Y轴方向聚焦，形成垂直于Y-Z平面的片状激光光束，片状激光光束作用于染料盒8内一定浓度的丙酮溶液产生激发荧光，激发荧光经第一滤光片10、第一CCD相机镜头11进入第一CCD相机12，第一CCD相机12测量的荧光图像可以计算片状激光光束的厚度信息，激发荧光经第二滤光片7、第二CCD相机镜头6进入第二CCD相机5，第二CCD相机5测量的荧光图像可以计算片状激光光束的平行度和能量分布信息。

本实施方式中，所述染料盒8为石英材质，266nm激光透过率大于98%。

本实施方式中，所述片状激光光束的尺寸小于染料盒8的可观察面尺寸。

本实施方式中，所述第一滤光片10和第二滤光片7为带通滤波片，300nm≤通带范围≤500nm，可以有效防止激光散射造成的噪声。

本实施方式中，所述第一CCD相机12和第二CCD相机5的像素不低于2048×2048，在观察区域的空间分辨率精度可达10μm量级。

本实施方式中，所述激光输出时间和第一CCD相机12、第二CCD相机5曝光时间的时序控制精度为5ps，第一CCD相机12和第二CCD相机5的最短曝光时间为100ns。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置实现测量片状激光光束尺寸（厚度、平行度）和能量分布的方法，所述方法步骤如下：

步骤一、将染料盒8注满一定浓度充分混合的丙酮溶液，并将染料盒8置于光路中；

步骤二、经片状激光光束整形***后，片状激光光束通过染料盒8的观测区域，激发丙酮示踪分子产生激发荧光；

步骤三、调整染料盒8的位置，使片状激光光束端面接近染料盒8上表面的刻度表尺，调整第一CCD相机12的位置及其镜头，通过第一CCD相机12获得片状激光光束的厚度分布信息，第一CCD相机12拍摄的片状激光光束厚度信息图像如图2所示；

步骤四、调整第二CCD相机5的位置及其镜头，使得像平面与片状激光光束位置重合，根据荧光强度分布通过第二CCD相机5获得片状激光光束平行度及能量分布信息，第二CCD相机5拍摄的片状激光光束平行度信息图像如图3所示。

Claims (8)

1.一种测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述装置由激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、染料盒、第一滤光片、第二滤光片、第一CCD相机镜头、第二CCD相机镜头、第一CCD相机、第二CCD相机构成，其中：

所述激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、染料盒沿X轴方向依次设置；

所述第二滤光片、第二CCD相机镜头、第二CCD相机沿Y轴方向依次设置；

所述第一滤光片、第一CCD相机镜头、第一CCD相机沿Z轴方向依次设置；

所述聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜和平凹透镜组成片状激光光束整形***；

所述染料盒上贴有标尺；

所述第一CCD相机平行于X-Y平面；

所述第二CCD相机平行于X-Z平面；

所述激光器输出的激光经平凹透镜扩束和准直凸柱透镜准直后再经聚焦凸柱透镜沿Y轴方向聚焦，形成垂直于Y-Z平面的片状激光光束，片状激光光束作用于染料盒内的丙酮溶液产生激发荧光，激发荧光经第一滤光片、第一CCD相机镜头进入第一CCD相机，激发荧光经第二滤光片、第二CCD相机镜头进入第二CCD相机。

2.根据权利要求1所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述染料盒为石英材质，266nm激光透过率大于98%。

3.根据权利要求1或2所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述片状激光光束的尺寸小于染料盒的可观察面尺寸。

4.根据权利要求1所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述第一滤光片和第二滤光片为带通滤波片，300nm≤通带范围≤500nm。

5.根据权利要求1所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述第一CCD相机和第二CCD相机的像素不低于2048×2048。

6.根据权利要求1所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述激光输出时间和第一CCD相机、第二CCD相机曝光时间的时序控制精度为5ps。

7.根据权利要求1或5所述的测量片状激光光束尺寸和能量分布的装置，其特征在于所述第一CCD相机和第二CCD相机的最短曝光时间为100ns。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述的装置实现测量片状激光光束尺寸和能量分布信息的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一、将染料盒内注入一定浓度的丙酮溶液，并置于片状激光光束传输路径上；

步骤二、激光经由平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜整形为片状激光光束，片状激光光束通过染料盒内观测区域，激发丙酮分子产生激发荧光；

步骤三、调整染料盒位置，片状激光光束端面接近染料盒上表面的刻度表尺，调整第一CCD相机及其镜头，刻度表尺和激发荧光同时在第一CCD相机成像，通过第一CCD相机获得片状激光光束的厚度分布信息；

步骤四、调整第二CCD相机及其镜头，使得像平面与片状激光光束位置重合，通过第二CCD相机获得片状激光光束平行度及能量分布信息。

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