CN109239930A

CN109239930A - 一种自反馈式激光片状光束整形装置

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Publication number: CN109239930A
Application number: CN201811179312.8A
Authority: CN
Inventors: 于杨; 于欣; 彭江波; 高龙; 李晓晖; 马欲飞
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了一种自反馈式激光片状光束整形装置，所述装置包括光源、组件一、组件二、组件三、底座、观察室、ICCD相机一和ICCD相机二，所述光源、组件一、组件二、组件三和观察室沿X轴方向依次设置；所述ICCD相机一和观察室沿Y轴方向依次设置；所述观察室和ICCD相机二沿Z轴方向设置依次；所述光源发出的激光经组件一扩束、组件二准直、组件三整形形成平行于XOZ面的片状光束，片状光束激发观察室中的染料，沿Y轴方向的ICCD相机一获得ZOX平面的丙酮荧光分布图像，沿Z轴方向的ICCD相机二获得XOY平面的丙酮荧光分布图像。本发明优化了PLIF诊断系统的调整进程，解决了手动调整误差大且精度低的问题。

Description

一种自反馈式激光片状光束整形装置

技术领域

本发明属于平面激光诱导荧光诊断领域，涉及一种自反馈调整片状光束平行度和厚度的装置及方法。

背景技术

PLIF技术作为一种激光光谱诊断技术，目前广泛应用在各种燃烧环境的诊断中，能够得到火焰中丰富的信息，如火焰锋面的可视化成像、火焰中自由基的分布、火焰内部及碳烟的温度。在利用激光诊断技术测量燃烧场的参数实验中，常需要将圆形的激光光束整形成为光强分布较均匀的片状激光束。

现阶段实验中，对到达火焰观测区域内的片状光束有如下要求：

1、为使激光传播水平方向上同一高度处的激光强度保持一致，要求光束上下边缘的平行度极高；

2、为降低ICCD相机成像的空间积分效果，提高成像的准确度，需要降低激发荧光区域的厚度，要求片状光束的厚度极小。

然而，由于人工手动调整精度的局限性，传统片状光束整形系统难以获取理想中极高平行度且极薄的片状光束，这会对激发PLIF信号的采集造成不利影响，从而进一步限制PLIF技术的发展和推广。因此，亟需设计一种可自反馈调整片状光束平行度和厚度的装置，以此避免手动调整的粗糙和繁琐，进而优化片状光束的调整精度，降低试验的系统误差，为提高PLIF系统测量的精度奠定了基础。

发明内容

本发明为了优化PLIF诊断系统的调整进程，解决手动调整误差大且精度低的问题，进而获取理想的片状光束，提供了一种自反馈式激光片状光束整形装置。本发明通过两台ICCD实时获得片状光束在观察室内部传输路径上激发的荧光图像，获取片状光束的平行度和厚度信息，由电脑精密控制片状光束整形组件中的组件一和组件三相对于组件二的距离而获得具有最佳平行度和厚度的片状激光束。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自反馈式激光片状光束整形装置，包括光源、片状光束整形组件、观察室、ICCD相机一和ICCD相机二，其中：

所述片状光束整形组件由组件一、组件二、组件三和底座组成；

所述组件一由平凹柱透镜和精密电动平移台一组成；

所述组件二为准直凸柱透镜；

所述组件三由聚焦凸柱透镜和精密电动平移台二组成；

所述光源、组件一、组件二、组件三和观察室沿X轴方向依次设置；

所述组件二直接固定在底座上，组件一和组件三分别通过精密电动平移台一和精密电动平移台二放置在底座上；

所述ICCD相机一和观察室沿Y轴方向依次设置；

所述观察室和ICCD相机二沿Z轴方向依次设置；

所述光源发出的激光经初始手动放置的组件一扩束、组件二准直后形成平行于X轴的光束，再经组件三形成平行于XOZ面的片状光束，片状光束激发观察室中的染料，沿Y轴方向的ICCD相机一获得ZOX平面的丙酮荧光分布图像，沿Z轴方向的ICCD相机二获得XOY平面的丙酮荧光分布图像。

一种利用上述装置实现自反馈调节片状光束平行度和厚度的方法，包括如下步骤：

步骤一、激光经由初始位置的组件一、组件二和组件三整形为片状光束，片状光束通过观察室内观测区域，激发丙酮分子产生荧光；

步骤二、保持组件三位置固定，并且在Y轴上的位置坐标定义为0，自左至右以电脑控制精密电动平移台一，每次以步长移动组件一，同时ICCD相机一采集相应片状光束激发丙酮分子产生的荧光图像；

步骤三、在ICCD相机一获得的各幅图像中建立像素坐标系，设定组件一在某位置处拍摄图像中第i列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δy_i(1≤i≤1024)，然后计算Δy₁，Δy₂，…，Δy₁₀₂₄的方差，电脑记录方差最小的图像所对应的水平位置x₁，并控制组件一平移到x₁处；

步骤四、保持组件一位置固定在x₁，再由电脑自左至右控制精密电动平移台二，在距离观察室F₃-10mm到F₃+10mm的范围内，每次以步长移动组件三，同时ICCD相机二采集相应片状光束激发丙酮分子产生的荧光图像；

步骤五、在ICCD相机二获得的各幅图像中建立像素坐标系，记组件三在某一位置处拍摄图像中第j列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δx_j(1≤j≤1024)，然后计算得到Δx₅₁₂和Δx₅₁₃的平均值，电脑记录差值最小的图像所对应的水平位置x₂，并控制组件一平移到x₂处。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的自反馈式激光片状光束整形装置结构设计合理且简单易搭建，操作便利且精准。通过观察室扫描成像，有效实现激光光束由发散激光光束准直为高平行度的片状激光光束，再由片状激光光束聚焦压缩其厚度。

2、本发明的自反馈式激光片状光束整形装置结构灵活，可以随时换装不同焦距的柱透镜，并且能快速实时准确调整柱透镜位置，实现快速且精确调整片状光束的目标，进而优化PLIF实验系统的测量结果。

附图说明

图1为本发明自反馈式激光片状光束整形装置的结构示意图。

图2为本发明中ICCD相机一所成的用于调整片状光束平行度的XOZ平面内观察室成像示意图。

图3为本发明中ICCD相机二所成的用于调整片状光束厚度的XOY平面内观察室所成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种自反馈调节片状光束平行度和厚度的装置，如图1所示，该装置由光源1、片状光束整形组件2、观察室7、ICCD相机一8和ICCD相机二9构成，其中：

所述片状光束整形组件2由组件一3、组件二4、组件三5和底座6组成；

所述组件一3由平凹柱透镜和精密电动平移台一组成；

所述组件二4为准直凸柱透镜；

所述组件三5由聚焦凸柱透镜和精密电动平移台二组成；

所述光源1、组件一3、组件二4、组件三5和观察室7沿X轴方向依次设置；

所述组件二4直接固定在底座6上，组件一3和组件三5分别通过精密电动平移台一和精密电动平移台二放置在底座6上，精密电动平移台一和精密电动平移台二使用电脑控制，组件一3和组件三5在电脑精密控制下可以在底座6上沿X轴移动；

所述ICCD相机一8和观察室7沿Y轴方向依次设置；

所述观察室7和ICCD相机二9沿Z轴方向设置依次；

所述光源1发出的激光经初始手动放置的组件一3扩束、组件二4准直后形成平行于X轴的光束，再经组件三5形成平行于XOZ面的片状光束，片状光束激发观察室7中的染料丙酮，沿Y轴方向的ICCD相机一8获得ZOX平面的丙酮荧光分布图像，沿Z轴方向的ICCD相机二9获得XOY平面的丙酮荧光分布图像。

本实施方式中，所述光源1、平凹柱透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、观察室7为共轴形式存在。

本实施方式中，所述ICCD相机一8和观察室7平行于XOZ面放置且在Y轴方向为共轴形式存在。

本实施方式中，所述ICCD相机二9和观察室7平行于XOY面放置且在Z轴方向为共轴形式存在。

本实施方式中，所述精密电动平移台一和精密电动平移台二的调整步长<1μm。

本实施方式中，所述观察室7由石英制成，尺寸为200mm×200mm×50mm。

本实施方式中，所述平凹柱透镜(焦距为-F₁)、准直凸柱透镜(焦距为F₂)在XOZ面上为共焦点存在。

本实施方式中，所述观察室7的中心区域到组件三5的距离等于聚焦凸柱透镜的焦距F₃。

本实施方式中，所述F₁为15mm，F₂为240mm，F₃为70mm。

本实施方式中，所述组件一3和组件三5的平移分辨率<1μm。

本实施方式中，所述光源的波长为266nm。

本实施方式中，所述片状光束厚度<500μm。

本实施方式中，所述ICCD相机一8和ICCD相机二9的镜头对波长360nm以内的丙酮散射光和背景噪声透过率<0.1％。

本实施方式中，所述ICCD相机一8和ICCD相机二9所成图像的像素大小为1024×1024。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置实现自反馈调节片状光束平行程度和厚度的方法，所述方法由以下步骤实现：

步骤一、光源1发出的激光经由初始位置的组件一3、组件二4和组件三5整形为片状光束，片状光束通过观察室7内观测区域，激发丙酮分子产生荧光；

步骤二、保持组件三5位置固定，并且在Y轴上的位置坐标定义为0，自左至右以电脑控制精密电动平移台一，每次以步长移动组件一3，同时ICCD相机一8采集相应片状光束激发丙酮分子产生的荧光图像；

步骤三、在ICCD相机一8获得的各幅图像中建立像素坐标系，设定组件一3在某位置处拍摄图像中第i列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δy_i(1≤i≤1024)，然后计算Δy₁，Δy₂，…，Δy₁₀₂₄的方差，电脑记录方差最小的图像所对应的水平位置x₁，并控制组件一平移到x₁处；

步骤四、保持组件一3位置固定在x₁，再由电脑自左至右控制精密电动平移台二，在距离观察室F₃-10mm到F₃+10mm的范围内，每次以步长移动组件三5，同时ICCD相机二9采集相应片状光束激发丙酮分子产生的荧光图像；

步骤五、在ICCD相机二9获得的各幅图像中建立像素坐标系，记组件三5在某一位置处拍摄图像中第j列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δx_j(1≤j≤1024)，然后采用常规相加求平均值的方法计算得到Δx₅₁₂和Δx₅₁₃的平均值，以便获得使观察室中央观测区的片状光束厚度最小时组件一3所对应的位置，以及获得观察室中央观测区处片状光束的最小厚度，电脑记录差值最小的图像所对应的水平位置x₂，并控制组件一3平移到x₂处。

Claims

1.一种自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述装置包括光源、片状光束整形组件、观察室、ICCD相机一和ICCD相机二，其中：

所述组件一由平凹柱透镜和精密电动平移台一组成；

所述组件二为准直凸柱透镜；

所述组件三由聚焦凸柱透镜和精密电动平移台二组成；

所述ICCD相机一和观察室沿Y轴方向依次设置；

所述观察室和ICCD相机二沿Z轴方向设置依次；

2.根据权利要求1所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述光源、平凹柱透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、观察室为共轴形式存在。

3.根据权利要求1所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述ICCD相机一和观察室平行于XOZ面放置且在Y轴方向为共轴形式存在，所述ICCD相机二和观察室平行于XOY面放置且在Z轴方向为共轴形式存在。

4.根据权利要求1所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述精密电动平移台一和精密电动平移台二的调整步长<1μm，所述组件一和组件三的平移分辨率<1μm。

5.根据权利要求1、2或3所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述观察室由石英制成，尺寸为200mm×200mm×50mm。

6.根据权利要求1或2所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述平凹柱透镜、准直凸柱透镜在XOZ面上为共焦点存在；所述观察室的中心区域到组件三的距离等于聚焦凸柱透镜的焦距。

7.根据权利要求6所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述平凹柱透镜的焦距为-F₁，准直凸柱透镜的焦距为F₂，聚焦凸柱透镜的焦距为F₃，其中：F₁为15mm，F₂为240mm，F₃为70mm。

8.根据权利要求1所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述光源的波长为266nm，片状光束厚度<500μm。

9.根据权利要求1或3所述的自反馈式激光片状光束整形装置，其特征在于所述ICCD相机一和ICCD相机二的镜头对波长360nm以内的丙酮散射光和背景噪声透过率<0.1％，所述ICCD相机一和ICCD相机二所成图像的像素大小为1024×1024。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述装置实现自反馈调节片状光束平行度和厚度的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤三、在ICCD相机一获得的各幅图像中建立像素坐标系，设定组件一在某位置处拍摄图像中第i列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δy_i，1≤i≤1024，然后计算Δy₁，Δy₂，…，Δy₁₀₂₄的方差，电脑记录方差最小的图像所对应的水平位置x₁，并控制组件一平移到x₁处；

步骤四、保持组件一位置固定在x₁，再由电脑自左至右控制精密电动平移台二，在距离观察室F₃-10mm到F₃+10mm的范围内，每次以步长移动组件三，同时ICCD相机二采集相应片状光束激发丙酮分子产生的荧光图像，其中：F₃为组件三中聚焦凸柱透镜的焦距，单位为mm；

步骤五、在ICCD相机二获得的各幅图像中建立像素坐标系，记组件三在某一位置处拍摄图像中第j列像素上下两荧光边界纵坐标的差值为Δx_j，1≤j≤1024，然后计算得到Δx₅₁₂和Δx₅₁₃的平均值，电脑记录差值最小的图像所对应的水平位置x₂，并控制组件一平移到x₂处。