CN107907962A - 一种均匀线形平行激光束产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均匀线形平行激光束产生装置，能够将圆形高斯光束变化为能量均匀分布的线形平行光束，可作为探测光束发射结构应用于激光粒子成像系统。其原理是先使用透镜对高斯光束进行准直，得到圆形准直光。然后采用鲍威尔棱镜将其整形为扇面光，由于鲍威尔棱镜具有退高斯效应，从而同时实现了光束能量匀化。最终通过柱面镜对扇面光进行准直，得到近似平行的线形激光束。

Description

一种均匀线形平行激光束产生装置
技术领域
本发明属于微小粒子切片采样二维成像技术领域，涉及一种均匀线形平行激光束产生装置。
背景技术
目前，在基于切片采样原理的微小粒子二维成像系统中，阵列探测器的有效光敏面为细长的线形区域，宽度仅为μm量级。基于此，当采用圆形准直高斯光束作为背景光源照射探测器时，在有效光敏面以外的区域会产生大量无效光照(对于64元阵列探测器，有效照射区域相对于光斑面积的占比不足5％)，造成极大的光源能量浪费，客观上提高了对激光器的功率需求。
此外，由于圆形激光束的高斯特性，其截面光功率密度的径向分布呈中心高边缘低的特点，致使阵列探测器各像元的受光功率悬殊，从而对应各通道放大电路的增益需进行差异设计，无疑增加设计和调试难度，同时也会影响粒子成像的质量稳定性。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种均匀线形平行激光束产生装置，采用能量均匀分布的线形平行光束照射探测器，可避免现有技术中能量损失和分布不均的缺点，可有效降低系统对激光器的功率需求，同时可降低后级模拟电路设计和调试复杂度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种均匀线形平行激光束产生装置，其包括：外筒组件1和透镜组结构组件2；其中，透镜组结构组件包括输出光纤3、准直透镜6、透镜组内筒7、透镜组外筒8、鲍威尔棱镜9；外筒组件包括外筒壳体10、反射镜12、窗口镜13；透镜组外筒8安装在外筒壳体10一端，透镜组内筒7套设在透镜组外筒8内，透镜组内筒7内沿光轴方向依次布置输出光纤3、准直透镜6和鲍威尔棱镜9；外筒壳体10另一端设置反射镜12，其侧壁上设置窗口镜13；输出光纤3输出原始激光束14，通过准直透镜6准直为圆形准直光束15，并经鲍威尔棱镜9转换为扇面光16，进一步经由反射镜12反射后由窗口镜13射出。
其中，所述透镜组内筒7通过细密螺纹嵌套于透镜组外筒8内壁，通过旋转透镜组结构组件，同时对其轴向位移和方位角进行调节，保证出射扇面光16等效光心处于窗口镜13的焦点，且扇面方向与柱面窗口镜13轴向垂直。
其中，所述透镜组内筒7上设置准直镜安装座5，准直透镜6安装在准直镜安装座5上。
其中，所述准直镜安装座5上安装光纤法兰4，输出光纤3安装在光纤法兰4上。
其中，所述外筒壳体10另一端安装反射镜支架11，反射镜12相对于圆形准直光束15的中心轴倾斜45°布置。
其中，准直后的所述圆形准直光束15从鲍威尔棱镜9的入射曲面输入并被折射，鲍威尔棱镜9的入射曲面的参数与准直光束直径相匹配；折射光线经过棱镜出射平面二次折射后输出，变为具有线形截面的扇面光16。
其中，所述圆形准直光束15的光束直径为3mm。
其中，所述扇面光16的张角为2.5°。
其中，所述窗口镜13焦距为200mm。
其中，所述线形平行光17的光束宽度为8.7mm。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的均匀线形平行激光束产生装置，针对当前采用的圆形高斯光束的不足之处，提供了一种能效高、指标合理、设计匹配度好的探测光束。
附图说明
附图1是本发明实施例获得均匀线形平行激光束的光学原理图。
附图2是本发明实施例公开的获得均匀线形平行激光束的光机结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
一种由圆形高斯光束获得均匀线形平行激光束的光学系统原理方案，如附图1所示。该原理方案描述的光学系统包括输出光纤、准直透镜、鲍威尔棱镜和柱面镜，采用的核心光学元件为鲍威尔棱镜与柱面镜。
光纤输出的原始激光首先经准直透镜准直，得到一束圆形高斯激光束，该光束随后被输入鲍威尔棱镜进行光束整形。鲍威尔棱镜的入射面为特殊设计的二次曲面，可将不同径距的平行入射光线折射到不同方向，再经出射平面二次折射后输出扇面光(近似同心光束)，其光通量密度呈近似均匀分布，从而消除了原始激光束的能量高斯分布特征。出射扇面光再由柱面镜准直，便得到一束近似平行的线形光束。
基于上述原理，本实施例一种由圆形高斯光束获得均匀线形平行激光束的装置，其结构设计如附图2所示，其包括：外筒组件(1)和透镜组结构组件(2)；其中，透镜组结构组件包括输出光纤(3)、准直透镜(6)、透镜组内筒(7)、透镜组外筒(8)、鲍威尔棱镜(9)；外筒组件包括外筒壳体(10)、反射镜(12)、窗口镜(13)；透镜组外筒(8)安装在外筒壳体(10)一端，透镜组内筒(7)套设在透镜组外筒(8)内，透镜组内筒(7)内沿光轴方向依次布置输出光纤(3)、准直透镜(6)和鲍威尔棱镜(9)；外筒壳体(10)另一端设置反射镜(12)，其侧壁上设置窗口镜(13)；输出光纤(3)输出原始激光束(14)，通过准直透镜(6)准直为圆形准直光束(15)，并经鲍威尔棱镜(9)转换为扇面光(16)，进一步经由反射镜(12)反射后由窗口镜(13)射出线形平行光(17)。
透镜组内筒(7)通过细密螺纹嵌套于透镜组外筒(8)内壁，通过旋转透镜组结构组件，可同时对其轴向位移和方位角进行调节，从而保证出射扇面光(16)等效光心处于柱面窗口镜(13)的焦点，且扇面方向与柱面窗口镜(13)轴向垂直。
其中，透镜组内筒(7)上设置准直镜安装座(5)，准直透镜(6)安装在准直镜安装座(5)上。
准直镜安装座(5)上安装光纤法兰(4)，输出光纤(3)安装在光纤法兰(4)上。
外筒壳体(10)另一端安装反射镜支架(11)，反射镜(12)相对于圆形准直光束(15)的中心轴倾斜45°布置。
本实施例中，输出光纤(3)输出的原始激光束(14)，采用准直透镜(6)将其准直为近似平行的圆形准直光束(15)，光束直径约为3mm。
准直后的圆形准直光束(15)从鲍威尔棱镜(9)的入射曲面输入并被折射，鲍威尔棱镜入射曲面的参数与准直光束直径相匹配。折射光线经过棱镜出射平面二次折射后输出，变为具有线形截面的扇面光(16)，其张角约为2.5°。在近场条件下，该扇面光束光斑截面内激光能量沿光束张角方向近似为均匀分布。
均匀扇面光经过反射镜(12)转折90°，随后经过窗口镜(13)，窗口镜(13)选用柱面镜，柱面镜焦距为200mm。光束扇面方向与柱面镜轴向垂直，从而在张角方向被准直，输出近似平行的线形平行光(17)，光束宽度约为8.7mm。柱面镜作为探测光束发射的窗口镜(13)，柱面镜兼具光束准直和窗口玻璃功能。
准直镜安装座(5)内置准直透镜(6)的位置依据焦距精确设计，光纤法兰4安装到位即可对入射高斯光束良好准直。
本发明使得整形后的线形平行光束不经过空间传输而直接进入探测区域，最大程度地利用了近场光束进行探测，有效避免了探测光束的远场非均匀效应。
通过本实施例结构装置获得的线形平行激光束，在近场范围具有线形截面、能量均匀、近似平行等特征，可作为对空间内分布的固/液态微粒(尺度范围在101～104μm量级)进行二维切片采样成像测量的探测光束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，包括：外筒组件(1)和透镜组结构组件(2)；其中，透镜组结构组件包括输出光纤(3)、准直透镜(6)、透镜组内筒(7)、透镜组外筒(8)、鲍威尔棱镜(9)；外筒组件包括外筒壳体(10)、反射镜(12)、窗口镜(13)；透镜组外筒(8)安装在外筒壳体(10)一端，透镜组内筒(7)套设在透镜组外筒(8)内，透镜组内筒(7)内沿光轴方向依次布置输出光纤(3)、准直透镜(6)和鲍威尔棱镜(9)；外筒壳体(10)另一端设置反射镜(12)，其侧壁上设置窗口镜(13)；输出光纤(3)输出原始激光束(14)，通过准直透镜(6)准直为圆形准直光束(15)，并经鲍威尔棱镜(9)转换为扇面光(16)，进一步经由反射镜(12)反射后由窗口镜(13)射出。
2.如权利要求1所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述透镜组内筒(7)通过细密螺纹嵌套于透镜组外筒(8)内壁，通过旋转透镜组结构组件，同时对其轴向位移和方位角进行调节，保证出射扇面光(16)等效光心处于窗口镜(13)的焦点，且扇面方向与柱面窗口镜(13)轴向垂直。
3.如权利要求1所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述透镜组内筒(7)上设置准直镜安装座(5)，准直透镜(6)安装在准直镜安装座(5)上。
4.如权利要求3所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述准直镜安装座(5)上安装光纤法兰(4)，输出光纤(3)安装在光纤法兰(4)上。
5.如权利要求1所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述外筒壳体(10)另一端安装反射镜支架(11)，反射镜(12)相对于圆形准直光束(15)的中心轴倾斜45°布置。
6.如权利要求1所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，准直后的所述圆形准直光束(15)从鲍威尔棱镜(9)的入射曲面输入并被折射，鲍威尔棱镜(9)的入射曲面的参数与准直光束直径相匹配；折射光线经过棱镜出射平面二次折射后输出，变为具有线形截面的扇面光(16)。
7.如权利要求1所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述圆形准直光束(15)的光束直径为3mm。
8.如权利要求7所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述扇面光(16)的张角为2.5°。
9.如权利要求8所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述窗口镜(13)焦距为200mm。
10.如权利要求9所述的均匀线形平行激光束产生装置，其特征在于，所述线形平行光(17)的光束宽度为8.7mm。
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