[实用新型]一种激光片光光路

说明书

技术领域

本实用新型属于流体力学实验技术领域，特别涉及一种产生光强均匀分布的激光片光的光路。 

背景技术

激光具有单色性好、方向性好和光强度高等优点，是实验流体力学中最常用的光源，其中，由激光束扩展而成的激光片光是粒子图像测速技术(PIV)、激光诱导荧光技术(LIF)和流动可视化技术(FV)等现代流动测量技术主要选用的光源。 

将激光束扩展为激光片光可以有多种光路形式。例如，魏润杰提出的《一种高速粒子图像测速装置》(中国专利CN200720140441.7)公开了一种利用平凸球面透镜和平凹柱面透镜将激光束扩展为扇形片光的方法，其中，平凹柱面透镜用于将光束扩展为扇形片光，平凸球面透镜用于控制片光的厚度。这种光路的主要优点是结构简单，但其缺点也极为明显：一方面，柱面透镜生成的片光的强度沿宽度呈高斯分布，另一方面，扇形片光的宽度沿传播方向线性增大，导致光强沿传播方向线性减小，上述特征使得光强在测量平面内分布不均匀，降低测量结果的精度。为了改善激光片光的均匀性，清华大学王兴奎、钟强、陈启刚、李丹勋等人提出的《一种用于流速测量的高频图像采集系统》(中国专利CN201110307172)公开了一种由两个平凸柱面透镜和两个平凹柱面透镜组成的片光光路，该光路可以将激光束扩展为矩形片光，显著提高了光强沿传播方向的均匀性，但并未改善光强沿宽度方向的均匀性。 

除上述不足外，已有片光光路主要适用于测量宽度为10cm左右的情况。对于专利CN200720140441.7中公开的扇形片光光路，当测量宽度增加至50cm甚至更大时，光强沿宽度方向的不均匀性将进一步降低测量结果的准确性。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服现有激光片光光路装置产生的片光强度不均匀，以及无法满足大范围高精度测量的不足，提出一种新型的激光片光光路，该光路具有结构简单、产 生的片光强度均匀且满足大范围流动测量的需求。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

本实用新型提出的激光片光光路主要由球面透镜、鲍威尔棱镜和柱面透镜组成，所述球面透镜靠近激光器出光口，鲍威尔棱镜和柱面透镜依次沿光束传播方向布置在球面透镜之后，球面透镜、鲍威尔棱镜和柱面透镜的中心与激光光束的中轴同轴，三者之间的距离连续可调。 

所述球面透镜的岀射透光面为凸球面，入射透光面为平面或凸球面；所述鲍威尔棱镜为入射透光面呈楔形、岀射透光面为平面的标准光学划线棱镜；所述柱面透镜的岀射透光面为凸柱面，入射透光面为平面或凸柱面，当入射透光面为凸柱面时，其母线与岀射透光面的母线相互垂直。 

所述球面透镜的主要作用是缩小入射光束的直径，使得光束大小满足鲍威尔棱镜的进光要求，同时也可辅助缩小激光片光的厚度；所述鲍威尔棱镜将光束扩展为强度沿宽度方向均匀分布的扇形片光；所述柱面透镜的纵向截面与扇形片光平行，用于将扇形片光收缩为矩形片光。 

当柱面透镜的入射透光面为凸柱面时，入射透光面可缩小矩形片光的厚度。 

当激光器发出的光束直径大小满足鲍威尔棱镜的进光要求时，所述的激光片光光路可简化为由鲍威尔棱镜和柱面透镜组成。 

本实用新型的技术特点为： 

(1)结构简单。本实用新型所提出的激光片光光路由球面透镜、鲍威尔棱镜和柱面透镜三个光学元件组成，当激光光束直径满足鲍威尔棱镜进光要求时，该光路可简化为仅由鲍威尔棱镜和柱面透镜组成。 

(2)产生的片光强度均匀。由于使用鲍威尔棱镜扩展光束，使得片光强度沿宽度方向均匀分布；同时，由于激光片光被收缩为矩形片光，使得光强沿光束传播方向均匀分布。 

(3)可满足大尺度高精度测量的需求。通过改变柱面透镜和鲍威尔棱镜的型号以及两者之间的相对距离，本实用新型可产生任意宽度的均匀矩形片光，可满足任意尺度流动测量的要求。 

附图说明

图1(a)和图1(b)为本实用新型的激光片光光路组成示意图，其中图1 (a)为正视图，图1 (b)为俯视图； 

图2(a)和图2(b)示意本实用新型的激光片光光路各部分的作用，其中图2 (a)为正视图，图2 (b)为俯视图； 

图3为本实用新型的实施例一的应用效果正视图； 

图4为本实用新型的实施例二的应用效果正视图； 

图5为本实用新型的实施例三的应用效果俯视图。 

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本实用新型的一种激光片光光路进行详细说明。