[发明专利]一种用于Tomo-PIV的均匀体积激光生成系统和方法

说明书

本发明公开了一种用于Tomo‑PIV的均匀体积激光生成系统和方法，属于激光扩束技术领域，所述系统包括：激光器发出出射光；鲍威尔棱镜组，将出射光进行多次一维扩束得到扩束体积光；准直器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；单向扩束组件用于对均化体积光进行扩束得到矩形体积光；矩形狭缝组件用于对矩形体积光进行切割，得到矩形分布的规则体积光。本发明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，随后对其进行准直，最后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，从而得到截面为矩形的均匀分布体积光。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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：

激光器，用于作为点光源发出出射光；

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；

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；

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；

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。

在其中一个实施例中，所述鲍威尔棱镜组包括：

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；