CN104503190B - 一种纳秒级脉宽脉冲平面光源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，包括纳秒级脉冲激光光源、透镜组和激光散射系；激光器发出脉冲激光；脉冲激光进入导光臂，通过导光臂调整激光出光的位置和角度，再经过透镜组将激光转换成具有一定厚度的激光片光，完成激光的初步均匀化；片光从激光散射系的狭缝进入散射系内部，激光在散射系内经历一系列光路转换使光的传播方向、偏振方向和相位差等无序化，光线最终通过散射系一侧的透明玻璃既出光平面射出，从而形成光强均匀分布的平面光源。本发明实现纳秒级曝光时间下的高亮度平面光的均匀照射。

Description

一种纳秒级脉宽脉冲平面光源装置
技术领域
本发明涉及激光技术和光学测量领域，特别涉及一种纳秒级脉宽的脉冲平面光源的装置实现方法。
背景技术
在捕捉高速运动的物体瞬间运动状态过程，脉冲光源照明是一种“冻结”物体瞬间运动状态的有效手段，能够大大降低成像过程对相机捕捉帧频等的要求。
激光作为一种高亮度、单色性好、方向性好的光源得到了广泛地应用。激光脉宽可以轻松实现纳秒量级，甚至皮秒和飞秒量级，激光的脉冲特性使其在脉冲照明领域具有突出的优势。但是一般情况下激光器产生的光束光强呈高斯分布而不是均匀分布，光束在传输过程中不可避免地存在强度和相位的畸变，而且激光由于其强干涉特性很容易在成像时形成明暗不一的干涉条纹，这使得激光在对光束的辐照均匀性提出很高的要求的应用领域受到限制。
现有技术在解决激光照明均匀性和消除干涉方面取得成果，但仍存在一些不足。透镜列阵是目前应用较广泛的一种光束整形和匀滑器件，但是透镜列阵不能很好地解决激光干涉问题。为了去除这种由于干涉引起的激光照射强度不均匀，日本公开专利2001-127003和日本公开专利2001-244213提出通过阶梯反射镜或多个镜面反射的方式改变照射到物体上激光的光程差，进而一定程度上消除干涉。该种方法对反射镜的位置和布局要求高，不能完全消除干涉现象。中国公开专利CN102081235A提出多模光纤中传输光信号均匀化、消偏振以及消相干的方法，将光纤放置在液态溶液中，使用超声波振荡器改变光纤的震动状态从而达到对光斑进行匀化的效果。该种方法原理简单，但是实现装置较为庞大，不易操作。中国公开专利CN103364956A针对CN102081235A中的设计问题提出通过马达震动给光纤施加小的应力从而改善光纤输出激光光束的空间分布的方法，尽管实现装置的体积减小了，但其结构依旧复杂。中国公开专利CN201285473A提出一种基于散射的消相干匀场装置，将激光通入如NaCl水溶液的散射媒质中，通过瑞利散射和多次反射去除激光干涉条件并使激光强度匀化。该种方法的原理和实施都比较简单，激光匀化和消干涉效果较好，但是对激光的利用率很低，且不易实现大面积平面光的照射。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，利用散射系将具有干涉特性的脉冲激光转换成强度均匀分布的平面光源。先将激光转换成片光，初步均匀化；再利用液溶胶对光的丁达尔效应使光进一步均匀，同时实现光的乱散射进而消除激光的干涉效应。
本发明的技术方案是：
一种纳秒级脉宽的脉冲平面光源装置，包括纳秒级脉冲激光光源、透镜组和激光散射系。
所述纳秒级脉冲激光光源包括激光器和导光臂，所述激光器为纳秒级脉宽的脉冲激光器；所述导光臂连接在激光器上，导光臂将激光器发出的脉冲激光引到需要的位置射出；
所述透镜组包括凸透镜和柱面透镜；所述凸透镜比柱面透镜更靠近激光器出光口；所述透镜组将线激光或圆柱激光转换成均匀分布的激光片光；
所述激光散射系包括透明容器、反射壁面和散射溶液；所述散射溶液填充在透明容器内，所述透明容器的外壁上设有激光片光的进光狭缝以及平面光的出光平面，同时透明容器的其他的外壁上(这里透明容器的其他的外壁就是指除去激光片光的进光狭缝以及平面光的出光平面两个所在位置)均包覆有反光平面镜进而形成反射壁面，反射壁面的反射面朝向内；
激光器发出脉冲激光；脉冲激光进入导光臂，通过导光臂调整激光出光的位置和角度，再经过透镜组将激光转换成具有一定厚度的激光片光，完成激光的初步均匀化；片光从激光散射系的狭缝进入散射系内部，激光在散射系内经历一系列光路转换使光的传播方向、偏振方向和相位差等无序化，光线最终通过散射系一侧的透明玻璃既出光平面射出，从而形成光强均匀分布的平面光源。
所述激光散射系完成激光的进一步均匀化和去干涉，本发明为了解决激光散射系的技术问题所采用的进一步方案是：
较佳地，透明容器为光学玻璃材质，透明容器为一面开口的六面体形状的透明容器；
较佳地，激光片光的进光狭缝位于透明容器的开口面上，其狭缝长度方向与透明容器的开口面的一边平行。
较佳地，进光狭缝的狭缝长度与开口面的一边长度相等，狭缝宽度尽量小，保证激光片光通过即可。
较佳地，平面光的出光平面为与开口平面相邻的、与狭缝长度方向平行的任意一面。
较佳地，反射壁面采用反光能力强的镜面。
较佳地，散射溶液为胶质溶液。胶质溶液的颗粒尺寸小于激光的波长，激光射入胶质溶液后产生丁达尔效应，形成激光的乱散射现象。
本发明的有益技术效果是：实现纳秒级曝光时间下的高亮度平面光的均匀照射。具体解决的问题是激光作为能量源时平面光源的亮度均匀性和去干涉问题。
附图说明
图1为纳秒级脉宽的脉冲平面光源装置
图2为脉冲激光片光产生装置
图3为激光散射系的透明容器
图4为激光散射系总体效果
具体实施方式
下面通过特定的具体实例对本发明的具体实施过程进行详细介绍。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不悖离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
本实施例为一种纳秒级脉宽的脉冲平面光源装置，纳秒级脉冲激光光源1、透镜组2和激光散射系3。
所述纳秒级脉冲激光光源1包括激光器11和导光臂12。所述激光器11为Nd:YAG单脉冲激光器，脉宽7ns；所述导光臂12主要功能是将脉冲激光引到需要的位置射出。
所述透镜组2包括凸透镜21和柱面透镜22；所述凸透镜21焦距20mm，所述柱面透镜22焦距500mm，所述凸透镜21比柱面透镜22更靠近激光器11出光口；所述透镜组2主要功能是将线激光或圆柱激光转换成均匀分布的激光片光23，完成激光的初步均匀化。
所述激光散射系3包括透明容器、反射壁面和散射溶液33；所述激光散射系3的组装方式为散射溶液33加注在透明容器内，然后用镜面反射材料将透明容器完全包裹在内(除去两个特殊的位置)，镜面朝向内；所述特殊位置为带狭缝的平面镜盖板321和平面光的出光平面313。
透明容器选用K9光学玻璃材质，为一面开口的六面体形状，容器壁厚10mm。开口面为面311，尺寸为200x50mm；容器底面为面312，尺寸为200x50mm；另外四个侧面分别为面313、面314、面315和面316，其中侧面313为出光平面；面313和面314尺寸为200x150mm，面315和面316尺寸为150x50mm。
反射壁面采用反光能力强的平面镜构成。根据透明容器的尺寸，在面312、面314、面315和面316外侧用平面镜覆盖，镜面方向朝内，平面镜和容器可以粘合固定在一起。
采用中间带狭缝的平面镜盖板321置于面311上，镜面方向朝容器内部。平面镜盖板321形状与面311保持相同，狭缝长度方向与出光平面313保持平行。狭缝宽度尽量小，保证激光片光通过即可。盖板321可独立取下，方便散射溶液33的的加注以及透明容器内部的清洁。
散射溶液33选用胶质溶液，可采用清水中加入少量豆浆混合得到。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于：包括纳秒级脉冲激光光源、透镜组和激光散射系；
所述纳秒级脉冲激光光源包括激光器和导光臂，所述激光器为纳秒级脉宽的脉冲激光器；所述导光臂连接在激光器上，导光臂将激光器发出的脉冲激光引到需要的位置射出；
所述透镜组包括凸透镜和柱面透镜；所述凸透镜比柱面透镜更靠近激光器出光口；所述透镜组将线激光或圆柱激光转换成均匀分布的激光片光；
所述激光散射系包括透明容器、反射壁面和散射溶液；所述散射溶液填充在透明容器内，所述透明容器的外壁上设有激光片光的进光狭缝以及平面光的出光平面，同时透明容器的其他的外壁上均包覆有反光平面镜进而形成反射壁面，反射壁面的反射面朝向内；
激光器发出脉冲激光；脉冲激光进入导光臂，通过导光臂调整激光出光的位置和角度，再经过透镜组将激光转换成具有一定厚度的激光片光，完成激光的初步均匀化；片光从激光散射系的狭缝进入散射系内部，激光在散射系内经历一系列光路转换使光的传播方向、偏振方向和相位差等无序化，光线最终通过散射系一侧的透明玻璃既出光平面射出，从而形成光强均匀分布的平面光源。
2.根据权利要求1所述的纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于，透明容器为光学玻璃材质，透明容器为一面开口的六面体形状的透明容器。
3.根据权利要求2所述的纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于，激光片光的进光狭缝位于透明容器的开口面上，其狭缝长度方向与透明容器的开口面的一边平行。
4.根据权利要求3所述的纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于，进光狭缝的狭缝长度与开口面的一边长度相等，狭缝宽度能够保证激光片光通过。
5.根据权利要求4所述的纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于，平面光的出光平面为与开口平面相邻的、与狭缝长度方向平行的任意一面。
6.根据权利要求5所述的纳秒级脉宽脉冲平面光源装置，其特征在于，散射溶液为胶质溶液。
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