CN105388618B - 用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置及方法，在PLIF诊断实验中，由于不同工况是需要片状光束以不同角度入射到实验区域中，现有技术仅能通过改变流场中模型的攻角实现该效果，手段单一费力且不灵活。本发明中包括激光光源、光阑、柱面负透镜、柱面正透镜一、柱面正透镜二和片光整形旋转架；所述片光整形旋转架包括底座、光阑用镜框、柱面负透镜用镜框、第一柱面正透镜用镜框、第二柱面正透镜用镜框、两个竖板、两个转盘和多根滑杆。本发明包括两种方法，方法一与方法二相同之处为前三步相似。方法二与方法一不同之处为方法二包括步骤四，步骤四为光线旋转步骤。本发明用于PLIF诊断实验中。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维片状光束整形调节装置及方法，属于激光光谱应用技术领域。
背景技术
由于激光片状光束整形调节方面的优势，在众多激光光谱实验中广泛应用，PLIF为激光光谱实验中的一种，PLIF【平面激光诱导荧光技术，Planner Laser InducedFluorescence】作为一种激光光谱技术。通过几个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。利用具有像增强功能的相机【ICCD】记录荧光的强度与位置分布，由此可以分析出流场中浓度，温度，速度等相关参数信息。由于荧光寿命为纳秒量级，ICCD相机的像素也可以达到百万级，所以PLIF技术最大的特点就是其拥有较高的时间分辨率和空间分辨率。同时相比于其他的检测方法，PLIF是一种非接触的测量手段，它可以满足测量需求的同时保证不干扰流场的原有状态。由于以上的的优势，PLIF技术可以应用于高速变化的浓度场与温度场的诊断。在实际PLIF诊断实验中，有很多工况是需要片状光束以不同角度入射到实验区域的。如对超高声速流场进行诊断时，需要不断改变流场中模型的攻角，此时片状光束就需要根据模型攻角的变化，改变片光的角度。这是目前的片光整形系统中的一大局限性，需要亟待解决。
发明内容
本发明为解决在PLIF诊断实验中，由于不同工况是需要片状光束以不同角度入射到实验区域中，现有技术仅能通过改变流场中模型的攻角实现该效果，手段单一费力且不灵活的问题，进而提出一种用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，它包括激光光源1、光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4、柱面正透镜二5和片光整形旋转架6；
所述片光整形旋转架6包括底座6-1、光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4、第二柱面正透镜用镜框6-5、两个竖板6-7、两个转盘6-8和多根滑杆6-9，所述底座6-1水平设置，所述底座6-1上并列设置有两个竖板6-7，每个竖板6-7上安装有一个竖直设置的转盘6-8，每个转盘6-8在其所在的竖板6-7内沿其圆周方向自转，每个转盘6-8的中心加工有通孔，所述光阑用镜框6-2内安装有光阑2，所述柱面负透镜用镜框6-3内安装有柱面负透镜3，所述第一柱面正透镜用镜框6-4内安装有柱面正透镜一4，所述第二柱面正透镜用镜框6-5内安装有柱面正透镜二5，多根滑杆6-9水平并列设置在两个竖板6-7之间，每根滑杆6-9的一端固定连接在两个竖板6-7中的一个所述竖板6-7上，每根滑杆6-9的另一端依次穿过光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5后固定连接在两个竖板6-7中的另一个所述竖板6-7上，所述光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5分别与多根滑杆6-9滑动配合，所述激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外且所述激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔。
一种利用具体实施方式一所述的装置实现用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5依次安装至片光整形旋转架6中光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5中，再将激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外，该激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板6-7的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板6-7的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，设定两个转盘6-8中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，调整光阑用镜框6-2使其沿多根滑杆6-9滑动，通过光阑和安装在镜架6-3中的柱面负透镜3，两点确定一条直线的原理，保证入射光束入射方向与系统中心轴线A-A重合，同时控制光阑2孔径的大小，选取入射激光中心能量分布均匀的区域作为激光光源，通过光阑2的激光光束接着会入射通过柱面负透镜3，柱面负透镜3对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一4，柱面正透镜一4对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框6-3和第一柱面正透镜用镜框6-4之间的距离直至柱面负透镜3与柱面正透镜一4的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，“线形”的激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框6-5上的柱面正透镜二5使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二5在xy平面内聚焦，直接进行观测即可。
一种利用具体实施方式一所述的装置实现用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5依次安装至片光整形旋转架6中光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5中，再将激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外，该激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板6-7的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板6-7的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，通过光阑2的激光光束接着会入射通过柱面负透镜3，柱面负透镜3对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一4，柱面正透镜一4对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框6-3和第一柱面正透镜用镜框6-4之间的距离直至柱面负透镜3与柱面正透镜一4的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，“线形”的激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框6-5上的柱面正透镜二5使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二5在xy平面内聚焦，直接进行观测即可；
步骤四：光线旋转步骤：设定两个转盘6-8中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，利用光阑2与柱面负透镜3共轴来调节激光光束入射角度直至激光光束入射角度与系统中心轴线A-A重合，调整光阑用镜框6-2使其沿多根滑杆6-9滑动距离直至选取到激光光束中能量分布较为均匀的中间区域后定位，在旋转两个转盘6-8使光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5同步转动，根据实验场的要求，控制片状激光光束旋转角度，实现片光的绕系统中心轴线A-A旋转。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明涉及一种利用柱透镜扩展准直激光光束形成片状光束，并通过不同柱透镜的共轴旋转，实现片状光束旋转的装置与方法。本发明中的装置结构设计合理且简单，操作灵活性强，通过光阑、柱面负透镜、柱面正透镜一、柱面正透镜二和片光整形旋转架之间的相互配合有效实现激光光束由发散激光光束准直为片状激光光束，再由片状激光光束聚焦压缩其厚度，通过两个转盘和多根滑杆的设置带动光阑、柱面负透镜、柱面正透镜一和柱面正透镜二同步转动，使片状激光光束能够根据实际需要自由旋转角度。本发明中的方法步骤简单且多变，可根据不同试验要求进行具体调整。
2、本发明的优点包括将各个透镜整合成一套装置，整套系统便于移动，同时可以随时换装不同焦距的柱面透镜，方便得到不同尺寸的片状光束。最重要的是本发明整形的片状光束可以以其自身中心线为轴旋转，以满足特殊的实验要求。
附图说明
图1是在yz平面内激光光束变为片状光束的原理示意图；
图2是在xy平面内激光光束变为片状光束的原理示意图；
图3是本发明中装置的立体结构示意图，图中箭头方向表示转盘6-8的自转方向；
图4是本发明应用在PLIF诊断实验中的使用状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，本实施方式包括激光光源1、光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4、柱面正透镜二5和片光整形旋转架6；
所述片光整形旋转架6包括底座6-1、光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4、第二柱面正透镜用镜框6-5、两个竖板6-7、两个转盘6-8和多根滑杆6-9，所述底座6-1水平设置，所述底座6-1上并列设置有两个竖板6-7，每个竖板6-7上安装有一个竖直设置的转盘6-8，每个转盘6-8在其所在的竖板6-7内沿其圆周方向自转，每个转盘6-8的中心加工有通孔，所述光阑用镜框6-2内安装有光阑2，所述柱面负透镜用镜框6-3内安装有柱面负透镜3，所述第一柱面正透镜用镜框6-4内安装有柱面正透镜一4，所述第二柱面正透镜用镜框6-5内安装有柱面正透镜二5，多根滑杆6-9水平并列设置在两个竖板6-7之间，每根滑杆6-9的一端固定连接在两个竖板6-7中的一个所述竖板6-7上，每根滑杆6-9的另一端依次穿过光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5后固定连接在两个竖板6-7中的另一个所述竖板6-7上，所述光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5分别与多根滑杆6-9滑动配合，所述激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外且所述激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔。
本实施方式中激光光源1为可调谐激光器。多根滑杆6-9的个数设定为3个时为最佳。
本实施方式中将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5安装至片光整形旋转架6的过程中要保证安装进去的各个透镜共轴且柱面负透镜3和柱面正透镜一4展开会聚的特定平面为同一平面。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式中所述光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5均为矩形框体，所述光阑用镜框6-2上加工有第一长方形孔，所述光阑2镶嵌在光阑用镜框6-2的第一长方形孔内；所述柱面负透镜用镜框6-3上加工有第二长方形孔，所述柱面负透镜3镶嵌在柱面负透镜用镜框6-3的第二长方形孔内；所述第一柱面正透镜用镜框6-4上加工有第三长方形孔，所述柱面正透镜一4镶嵌在第一柱面正透镜用镜框6-4的第三长方形孔内；所述第二柱面正透镜用镜框6-5上加工有第四长方形孔，所述柱面正透镜二5镶嵌在第二柱面正透镜用镜框6-5的第四长方形孔内。
本实施方式中第一长方形孔、第二长方形孔、第三长方形孔、第四长方形孔内均加工有卡槽，光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5分别依次安装在这四个长方形孔内，确保柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5共轴且柱面负透镜3和柱面正透镜一4展开会聚平面是同一平面。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式中每个竖板6-7沿其厚度方向加工有圆孔，圆孔的内壁上加工有一圈凹槽，每个转盘6-8的圆周端面上加工有与一圈凹槽相配合的一圈凸起，每个转盘6-8通过一圈凸起卡接在其对应竖板6-7的一圈凹槽内。本实施方式中一圈凹槽和一圈凸起之间的卡接连接方式使竖板6-7和转盘6-8之间更加便于安装和拆卸，同时，一圈凸起的宽度小于一圈凹槽的槽宽，便于转盘6-8在其对应的竖板6-7内沿其圆周方向实现自转动作。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式中所述底座6-1沿其厚度方向加工有多个连接孔6-6。多个连接孔6-6的设置是为了便于片光整形旋转架6安装在操作台上，起到稳定固定的效果且位置不易发生变化。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式中所述装置还包括多个紧定螺钉，所述多个紧定螺钉分别穿过每个竖板6-7以顶紧在该竖板6-7内的转盘6-8的圆周端面上。本实施方式中紧定螺钉起到固定的效果，当转盘6-8转动到符合要求的角度后，通过多个紧定螺钉固定即可。同理，当光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5在多个滑杆6-9调整完毕后，也分别通过多个固定螺丝使各自固定其在多个滑杆6-9上的位置。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或四相同。
具体实施方式六：结合图1、图2、图3、图4及具体实施方式一说明本实施方式，本实施方式中所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5依次安装至片光整形旋转架6中光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5中，再将激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外，该激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板6-7的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板6-7的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，设定两个转盘6-8中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，调整光阑用镜框6-2使其沿多根滑杆6-9滑动，通过光阑和安装在柱面负透镜用镜框6-3中的负面柱透镜，两点确定一条直线的原理，保证入射光束入射方向与系统中心轴线A-A重合，同时控制光阑2孔径的大小，选取入射激光中心能量分布均匀的区域作为激光光源，通过光阑2的激光光束接着会入射通过柱面负透镜3，柱面负透镜3对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一4，柱面正透镜一4对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框6-3和第一柱面正透镜用镜框6-4之间的距离直至柱面负透镜3与柱面正透镜一4的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，“线形”的激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框6-5上的柱面正透镜二5使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二5在xy平面内聚焦，直接进行观测即可。
本实施方式中的步骤三中在xy平面内对片状光束聚焦是为了使片光厚度变薄，提高实验空间分辨率，所以柱面正透镜二5最好选取焦距较长的柱面正透镜，如焦距大于200mm。
本实施方式的设计思路为根据激光光斑的能量分布，设置光阑2的通光孔径的大小，使激光光斑中心能量分布均匀的区域透过光阑2。利用柱面负透镜3将激光光束扩束为片光，在利用与柱面负透镜3同焦点的柱面正透镜一4将扩散的片光准直为一定宽度的片状光束，最后利用长焦距的柱面正透镜二5压缩片光厚度。本实施方式中F为柱面正透镜一4的焦距，f为柱面负透镜3的焦距且F>f，通过两个焦点重合的柱面透镜组合，可以将“线形”激光光束在特定平面内展开为片状光束，片光宽度为线形光斑直径的F/f倍。D为柱面正透镜二的焦距，E为PLIF观测区域，在此区域中片光厚度较薄，一般小于1mm，空间分辨率高。由于柱面正透镜二焦距较长，所以可以认为在观测区域E这段区域中，片光厚度不变。
具体实施方式七：结合图1、图2、图3、图4及具体实施方式一说明本实施方式，本实施方式中所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5依次安装至片光整形旋转架6中光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5中，再将激光光源1设置在两个竖板6-7中靠近光阑用镜框6-2的一个竖板6-7外，该激光光源1的发光端朝向该竖板6-7上的转盘6-8通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板6-7的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板6-7的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，通过光阑2的激光光束接着会入射通过柱面负透镜3，柱面负透镜3对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一4，柱面正透镜一4对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框6-3和第一柱面正透镜用镜框6-4之间的距离直至柱面负透镜3与柱面正透镜一4的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，“线形”的激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一4与柱面负透镜3的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框6-5上的柱面正透镜二5使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二5在xy平面内聚焦，直接进行观测即可；
步骤四：光线旋转步骤：设定两个转盘6-8中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，利用光阑2与柱面负透镜3共轴来调节激光光束入射角度直至激光光束入射角度与系统中心轴线A-A重合，调整光阑用镜框6-2使其沿多根滑杆6-9滑动距离直至选取到激光光束中能量分布较为均匀的中间区域后定位，再旋转两个转盘6-8使光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5同步转动，根据实验场的要求，控制片状激光光束旋转角度，实现片光绕系统中心轴线A-A旋转。
本实施方式中的步骤三中在xy平面内对片状光束聚焦是为了使片光厚度变薄，提高实验空间分辨率，所以柱面正透镜二5最好选取焦距较长的柱面正透镜，如焦距大于200mm。
本实施方式的设计思路为根据激光光斑的能量分布，设置光阑2的通光孔径的大小，使激光光斑中心能量分布均匀的区域透过光阑2。利用柱面负透镜3将激光光束扩束为片光，在利用与柱面负透镜3同焦点的柱面正透镜一4将扩散的片光准直为一定宽度的片状光束，最后利用长焦距的柱面正透镜二5压缩片光厚度，通过旋转两个转盘6-8使光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5同步转动从而改变片状激光光束旋转角度。
本实施方式中F为柱面正透镜一4的焦距，f为柱面负透镜3的焦距且F>f，通过两个焦点重合的柱面透镜组合，可以将“线形”激光光束在特定平面内展开为片状光束，片光宽度为线形光斑直径的F/f倍。D为柱面正透镜二的焦距，E为PLIF观测区域，在此区域中片光厚度较薄，一般小于1mm，空间分辨率高。由于柱面正透镜二焦距较长，所以可以认为在观测区域E这段区域中，片光厚度不变。
结合本发明的有益效果说明以下实施例：
实施例一：将光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4、柱面正透镜二5分别安装在相应框架内。开启激光器，将光阑2的通光孔径调小，调节入射激光的俯仰角度，使激光通过光阑2与柱面负透镜3的中心位置。根据两点确定一条直线，可知此时激光与整个装置的系统中心轴线A-A【沿激光发射方向】重合。重新调节光阑2大小，选取激光光斑中心能量分布均匀区域。并固定光阑2和柱面负透镜3相应框架的固定螺丝使其位置固定。调节柱面正透镜一4的前后位置，使其焦点与柱面负透镜3焦点重合。具体方法是在调节二者之间距离时，时刻观测柱面正透镜一4之后的片状激光光束宽度随激光前进距离的变化，当激光宽度固定不随前进距离改变时，说明柱面正透镜一4与柱面负透镜3焦点重合。此时固定二者框架的固定螺丝，使其二者之间的距离固定。最后根据观测场的需求调节柱面正透镜二5的位置，并固定其位置。这样所需求的特定片状光束就整形完毕。
实施例二：本实施例中转动固定在两个转盘6-8之间的多根滑杆6-9，由于两个转盘6-8是共轴平行的，则两个转盘6-8之间的光阑用镜框6-2、柱面负透镜用镜框6-3、第一柱面正透镜用镜框6-4和第二柱面正透镜用镜框6-5会共轴旋转，则整个片状激光光束也会以其前进方向，即中心轴线A-A为轴进行旋转。通过结合实验场的具体情况，选择合适的片光旋转角度。
通过以上两种实施方案我们可以看到，本次发明可以对整形的激光片状光束进行多维调节，特别是轴向的旋转功能，突破了之前片光整形系统调节的局限性。
实施例三：当本发明应用到高速风洞中时，使用PLIF诊断超声速气流流过楔形模具表面流场的变化。模具表面观测诊断方法就是片光平行且紧贴模具平面观测。但是整个实验过程中为了检验不同攻角情况下模具表面流场变化，模具攻角会变化，则平行且紧贴其的片光角度就会变化。实验中分别测试了0度角，10度角，15度角，20度角这四种攻角情况下模具表面流场的变化。用原来的片光整形设备很难完成，而本发明能够方便的以AA为轴任意转动片光角度，实验完成的很方便。
本发明的工作过程：
激光光源1射出激光光束通过带有光阑2、柱面负透镜3、柱面正透镜一4和柱面正透镜二5的片光整形旋转架6后扩展准直为符合要求的片状激光光束，片状激光光束穿过需要诊断的流场时会有选择的激发流场中的从示踪剂发生器8发出的示踪粒子9，使示踪粒子9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10，利用ICCD相机11记录荧光10的强度与位置分布即可。
Claims (7)
1.一种用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，其特征在于：它包括激光光源(1)、光阑(2)、柱面负透镜(3)、柱面正透镜一(4)、柱面正透镜二(5)和片光整形旋转架(6)；
所述片光整形旋转架(6)包括底座(6-1)、光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)、第二柱面正透镜用镜框(6-5)、两个竖板(6-7)、两个转盘(6-8)和多根滑杆(6-9)，所述底座(6-1)水平设置，所述底座(6-1)上并列设置有两个竖板(6-7)，每个竖板(6-7)上安装有一个竖直设置的转盘(6-8)，每个转盘(6-8)在其所在的竖板(6-7)内沿其圆周方向自转，每个转盘(6-8)的中心加工有通孔，所述光阑用镜框(6-2)内安装有光阑(2)，所述柱面负透镜用镜框(6-3)内安装有柱面负透镜(3)，所述第一柱面正透镜用镜框(6-4)内安装有柱面正透镜一(4)，所述第二柱面正透镜用镜框(6-5)内安装有柱面正透镜二(5)，多根滑杆(6-9)水平并列设置在两个竖板(6-7)之间，每根滑杆(6-9)的一端固定连接在两个竖板(6-7)中的一个所述竖板(6-7)上，每根滑杆(6-9)的另一端依次穿过光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)后固定连接在两个竖板(6-7)中的另一个所述竖板(6-7)上，所述光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)分别与多根滑杆(6-9)滑动配合，所述激光光源(1)设置在两个竖板(6-7)中靠近光阑用镜框(6-2)的一个竖板(6-7)外且所述激光光源(1)的发光端朝向该竖板(6-7)上的转盘(6-8)通孔。
2.根据权利要求1所述的用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，其特征在于：所述光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)均为矩形框体，所述光阑用镜框(6-2)上加工有第一长方形孔，所述光阑(2)镶嵌在光阑用镜框(6-2)的第一长方形孔内；所述柱面负透镜用镜框(6-3)上加工有第二长方形孔，所述柱面负透镜(3)镶嵌在柱面负透镜用镜框(6-3)的第二长方形孔内；所述第一柱面正透镜用镜框(6-4)上加工有第三长方形孔，所述柱面正透镜一(4)镶嵌在第一柱面正透镜用镜框(6-4)的第三长方形孔内；所述第二柱面正透镜用镜框(6-5)上加工有第四长方形孔，所述柱面正透镜二(5)镶嵌在第二柱面正透镜用镜框(6-5)的第四长方形孔内。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，其特征在于：每个竖板(6-7)沿其厚度方向加工有圆孔，圆孔的内壁上加工有一圈凹槽，每个转盘(6-8)的圆周端面上加工有与一圈凹槽相配合的一圈凸起，每个转盘(6-8)通过一圈凸起卡接在其对应竖板(6-7)的一圈凹槽内。
4.根据权利要求3所述的用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，其特征在于：所述底座(6-1)沿其厚度方向加工有多个连接孔(6-6)。
5.根据权利要求1或4所述的用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节装置，其特征在于：所述装置还包括多个紧定螺钉，所述多个紧定螺钉分别穿过每个竖板(6-7)以顶紧在该竖板(6-7)内的转盘(6-8)的圆周端面上。
6.一种利用权利要求1所述的装置实现用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑(2)、柱面负透镜(3)、柱面正透镜一(4)和柱面正透镜二(5)依次安装至片光整形旋转架(6)中光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)中，再将激光光源(1)设置在两个竖板(6-7)中靠近光阑用镜框(6-2)的一个竖板(6-7)外，该激光光源(1)的发光端朝向该竖板(6-7)上的转盘(6-8)通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板(6-7)的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板(6-7)的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，设定两个转盘(6-8)中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，调整光阑用镜框(6-2)使其沿多根滑杆(6-9)滑动，通过光阑和安装在柱面负透镜用镜框(6-3)中的柱面负透镜(3)，两点确定一条直线的原理，保证入射光束入射方向与系统中心轴线A-A重合，同时控制光阑(2)孔径的大小，选取入射激光中心能量分布均匀的区域作为激光光源，通过光阑(2)的激光光束接着会入射通过柱面负透镜(3)，柱面负透镜(3)对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一(4)，柱面正透镜一(4)对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框(6-3)和第一柱面正透镜用镜框(6-4)之间的距离直至柱面负透镜(3)与柱面正透镜一(4)的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一(4)与柱面负透镜(3)的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，线形激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一(4)与柱面负透镜(3)的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框(6-5)上的柱面正透镜二(5)使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二(5)在xy平面内聚焦，直接进行观测即可。
7.一种利用权利要求1所述的装置实现用于激光光谱技术的多维片状光束整形调节的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：装置的装配工作：首先将光阑(2)、柱面负透镜(3)、柱面正透镜一(4)和柱面正透镜二(5)依次安装至片光整形旋转架(6)中光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)中，再将激光光源(1)设置在两个竖板(6-7)中靠近光阑用镜框(6-2)的一个竖板(6-7)外，该激光光源(1)的发光端朝向该竖板(6-7)上的转盘(6-8)通孔；
步骤二：光线整形步骤：由于激光光束行进方向与竖板(6-7)的宽度方向同向，设定激光行进方向为y轴所在方向，竖板(6-7)的高度方向为z轴所在方向，与yz平面垂直方向为x轴，其中zy平面为PLIF观测的平面，通过光阑(2)的激光光束接着会入射通过柱面负透镜(3)，柱面负透镜(3)对于入射光具有在特定二维平面发散的作用，则激光光束会在yz平面内发散为片状光束，发散的片状光束之后入射到柱面正透镜一(4)，柱面正透镜一(4)对于入射光在特定二维平面内进行会聚，所以发散的激光光束会在yz平面内会聚，调整柱面负透镜用镜框(6-3)和第一柱面正透镜用镜框(6-4)之间的距离直至柱面负透镜(3)与柱面正透镜一(4)的焦点重合时定位，即二者之间的距离为柱面正透镜一(4)与柱面负透镜(3)的焦距之差为F-f时，激光光束在xy平面内会重新变回准直光束，线形激光光束变为片状激光光束，激光光束的宽度为激光光斑直径乘以柱面正透镜一(4)与柱面负透镜(3)的焦距之比F/f；
步骤三：光线聚焦步骤：最后通过第二柱面正透镜用镜框(6-5)上的柱面正透镜二(5)使经过准直的片状激光光束经过柱面正透镜二(5)在xy平面内聚焦，直接进行观测即可；
步骤四：光线旋转步骤：设定两个转盘(6-8)中两个圆心之间连线所在的直线为系统中心轴线A-A，利用光阑(2)与柱面负透镜(3)共轴来调节激光光束入射角度直至激光光束入射角度与系统中心轴线A-A重合，调整光阑用镜框(6-2)使其沿多根滑杆(6-9)滑动距离直至选取到激光光束中能量分布较为均匀的中间区域后定位，再旋转两个转盘(6-8)使光阑用镜框(6-2)、柱面负透镜用镜框(6-3)、第一柱面正透镜用镜框(6-4)和第二柱面正透镜用镜框(6-5)同步转动，根据实验场的要求，控制片状激光光束旋转角度，实现片光绕系统中心轴线A-A旋转。
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