CN114236859A - 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统 - Google Patents

一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114236859A
CN114236859A CN202111555236.8A CN202111555236A CN114236859A CN 114236859 A CN114236859 A CN 114236859A CN 202111555236 A CN202111555236 A CN 202111555236A CN 114236859 A CN114236859 A CN 114236859A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens group
cylindrical lens
optical lens
total reflection
plano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111555236.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114236859B (zh
Inventor
杨振
宋英杰
张建隆
张勇
郭鑫民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202111555236.8A priority Critical patent/CN114236859B/zh
Publication of CN114236859A publication Critical patent/CN114236859A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114236859B publication Critical patent/CN114236859B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0966—Cylindrical lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0977—Reflective elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，涉及一种片光能量均匀化光学整形系统。沿高斯光束传播方向依次排布，入瞳平移偏移量d＝0.85mm，耦接光学镜组包括第一平凸柱面镜和第二平凸柱面镜，全反射积分腔由两片均光板组成，镀有高反射膜，其中一片与高斯光束传播方向平行，另一片与高斯光束传播方向具有0.1°夹角，准直压缩光学镜组包括第一弯月柱面镜、第二弯月柱面镜、第一双凸柱面镜和第三平凸柱面镜。能够将高斯光束转换成能量分布均匀的片状光束，为PLIF燃烧诊断提供优质高效的激光光束，有助于降低PLIF系统复杂程度和加工成本。

Description

一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统
技术领域
本发明涉及一种片光能量均匀化光学整形系统，尤其是一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，属于激光应用光学领域。
背景技术
激光诱导荧光(LIF)技术是近年来激光燃烧诊断的热点研究领域，其中平面激光诱导荧光(PLIF)技术可实现燃烧场温度、组分及浓度、火焰构造等参量信息的高时空分辨精确测量，且测量时对燃烧过程无扰动，在气体、固体推进剂燃烧动力学、超声速燃烧动力学、航空发动机高效燃烧和污染控制等方面具有重要的研究意义和应用价值。
在定量PLIF技术中，为实现组分浓度的二维分布测量，通常采用柱面透镜组将激发光整形为片状光束，但不对片光横截面能量做专门的均匀化处理。为满足定量测量需要，通常采用增加参考光路的形式监测激发光的强度分布。但这种形式有两个缺陷：一方面，在实验中额外增加了一套PLIF系统，不仅成本更加昂贵，同时也增加了诊断的复杂性，并且针对高速动态测量，很难做到实时监测和校准；另一方面，由于PLIF系统通常采用染料激光器调谐的方法实现激发波长的调节，经过染料激光器输出后的光斑模式会变得较差。
经实验总结分析，为从根本上解决目前片光能量分布不均匀、难以满足PLIF系统高质量测量需求的问题，宜采用增加光学整形系统的方式来实现，如何通过在PLIF系统中增加合适的光学整形系统，以保证片光能量均匀分布，对降低PLIF系统复杂程度和加工成本、提高图像质量和测量精度具有重要意义。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，它应用于PLIF激光燃烧诊断技术，能够将高斯光束转换成能量分布均匀的片状光束，为PLIF燃烧诊断提供优质高效的激光光束，有助于降低PLIF系统复杂程度和加工成本。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，包括沿高斯光束传播方向依次排布的耦接光学镜组、全反射积分腔以及准直压缩光学镜组，所述高斯光束的入瞳平移偏移量d＝0.85mm，所述耦接光学镜组包括第一平凸柱面镜和第二平凸柱面镜，所述全反射积分腔由两片均光板组成，所述两片均光板均镀有高反射膜，其中一片均光板与高斯光束传播方向平行，另一片均光板与高斯光束传播方向具有0.1°夹角，所述准直压缩光学镜组包括第一弯月柱面镜、第二弯月柱面镜、第一双凸柱面镜和第三平凸柱面镜，所述第一平凸柱面镜、所述第二平凸柱面镜、所述第一弯月柱面镜、所述第二弯月柱面镜及所述第一双凸柱面镜均竖向布置，所述第三平凸柱面镜横向布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用全反射积分腔多次反射极大的破坏了初始射入的高斯光束的强度分布，在出射端得到能量分布均匀且探测区宽的片状光束，应用于PLIF激光燃烧诊断技术中，能够为PLIF燃烧诊断提供优质高效的激光光束，从而实现燃烧场温度、组分及浓度、火焰构造等参量信息的高时空分辨精确测量，提升激光燃烧诊断中信号的信噪比和测量精度，相比于目前的激光光束均匀化方法，本发明结构简单、易于加工、成本低，简化光路，有助于降低PLIF系统复杂程度和加工成本，焦深长，片状光束均匀化效果好，最高可达到92％以上，有利于解决PLIF燃烧诊断中测量图像质量低和难以定量化的问题，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的排布结构示意图；
图2是本发明在探测区中心处的光斑能量分布图；
图3是本发明在距探测区中心30mm处的光斑能量分布图；
图4是本发明在距探测区中心-30mm处的光斑能量分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，包括沿高斯光束传播方向依次排布的耦接光学镜组、全反射积分腔以及准直压缩光学镜组，所述高斯光束的入瞳平移偏移量d＝0.85mm，所述耦接光学镜组包括沿高斯光束传播方向依次排布的第一平凸柱面镜1和第二平凸柱面镜2，所述全反射积分腔由两片均光板3组成，所述两片均光板3均镀有高反射膜，其中一片均光板3与高斯光束传播方向平行，另一片均光板3与高斯光束传播方向具有0.1°夹角，所述准直压缩光学镜组包括沿高斯光束传播方向依次排布的第一弯月柱面镜4、第二弯月柱面镜5、第一双凸柱面镜6和第三平凸柱面镜7，所述第一平凸柱面镜1、所述第二平凸柱面镜2、所述第一弯月柱面镜4、所述第二弯月柱面镜5及所述第一双凸柱面镜6均竖向布置，所述第三平凸柱面镜7横向布置。
其中，第一平凸柱面镜1、第二平凸柱面镜2、第一弯月柱面镜4、第二弯月柱面镜5、第一双凸柱面镜6及第三平凸柱面镜7材质均为C79-80紫外熔融石英并镀有增透膜，保证每个透过率为99.9％，两片均光板3材质为石英。
各柱面镜具体尺寸按高度、半宽、厚度和两个面的曲率R1、R2依次描述：
第一平凸柱面镜1：10.00mm、5.00mm、3.00mm、R1＝8.00mm、R2＝∞；
第二平凸柱面镜2：10.00mm、5.00mm、3.00mm、R1＝8.00mm、R2＝∞；
第一弯月柱面镜4：20.00mm、35.00mm、11.993mm、R1＝-102.521mm、R2＝-63.338mm；
第二弯月柱面镜5：20.00mm、37.00mm、11.999mm、R1＝-271.195、R2＝-100.910；
第一双凸柱面镜6：20.00mm、41.00mm、12.00mm、R1＝1069.347mm、R2＝-197.653mm；
第三平凸柱面镜7：40.00mm、20.00mm、3.00mm、R1＝100.00mm、R2＝∞。
两片均光板3尺寸为长度350mm、宽度40mm，间隔0.4mm。
本系统中各光学元件的间隔介质为空气，工作波长优选为283.553nm，焦深为±30mm，对高斯光束的均匀化程度不小于92％。
本系统在探测区中心和距探测区中心±30mm处的实际光斑均匀模拟结果参照图2～4所示，图2为探测区中心处的光斑能量分布、图3为距探测区中心30mm处的光斑能量分布、图4为距探测区中心-30mm处的光斑能量分布。可以看出，初始射入的高斯光束经过本系统整形后转换为能量分布均匀的片状光束，且整形后的片状高斯光束距探测区中心±30mm处的能量均匀性经过下述公式计算得出最小为92％，
Figure BDA0003418898870000041
其中，γ表示均匀性评价因子，Em表示每个采样点处的能量，
Figure BDA0003418898870000051
表示每个采样点的平均值，n为采样点的个数，表明本系统具有探测区宽(±30mm)和能量均匀性好(不小于92％)的优点，相比于目前的激光光束均匀化方法，本系统结构简单、易于加工、成本低、焦深长、光束均匀化效果好。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，其特征在于：包括沿高斯光束传播方向依次排布的耦接光学镜组、全反射积分腔以及准直压缩光学镜组，所述高斯光束的入瞳平移偏移量d＝0.85mm，所述耦接光学镜组包括第一平凸柱面镜(1)和第二平凸柱面镜(2)，所述全反射积分腔由两片均光板(3)组成，所述两片均光板(3)均镀有高反射膜，其中一片均光板(3)与高斯光束传播方向平行，另一片均光板(3)与高斯光束传播方向具有0.1°夹角，所述准直压缩光学镜组包括第一弯月柱面镜(4)、第二弯月柱面镜(5)、第一双凸柱面镜(6)和第三平凸柱面镜(7)，所述第一平凸柱面镜(1)、所述第二平凸柱面镜(2)、所述第一弯月柱面镜(4)、所述第二弯月柱面镜(5)及所述第一双凸柱面镜(6)均竖向布置，所述第三平凸柱面镜(7)横向布置。
2.根据权利要求1所述的一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，其特征在于：所述耦接光学镜组及所述准直压缩光学镜组的材质均为C79-80紫外熔融石英并镀有增透膜，透过率为99.9％，所述全反射积分腔的材质为石英。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，其特征在于：所述耦接光学镜组及所述准直压缩光学镜组的尺寸按高度、半宽、厚度和两个面的曲率R1、R2依次描述为：
第一平凸柱面镜(1)：10.00mm、5.00mm、3.00mm、R1＝8.00mm、R2＝∞；
第二平凸柱面镜(2)：10.00mm、5.00mm、3.00mm、R1＝8.00mm、R2＝∞；
第一弯月柱面镜(4)：20.00mm、35.00mm、11.993mm、R1＝-102.521mm、R2＝-63.338mm；
第二弯月柱面镜(5)：20.00mm、37.00mm、11.999mm、R1＝-271.195、R2＝-100.910；
第一双凸柱面镜(6)：20.00mm、41.00mm、12.00mm、R1＝1069.347mm、R2＝-197.653mm；
第三平凸柱面镜(7)：40.00mm、20.00mm、3.00mm、R1＝100.00mm、R2＝∞；
所述全反射积分腔的尺寸为：两片均光板(3)长度350mm、宽度40mm，间隔0.4mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，其特征在于：所述耦接光学镜组、全反射积分腔及准直压缩光学镜组的间隔介质为空气。
5.根据权利要求1所述的一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统，其特征在于：所述系统工作波长为283.553nm，焦深为±30mm。
CN202111555236.8A 2021-12-17 2021-12-17 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统 Active CN114236859B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111555236.8A CN114236859B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111555236.8A CN114236859B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114236859A true CN114236859A (zh) 2022-03-25
CN114236859B CN114236859B (zh) 2023-09-29

Family

ID=80758616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111555236.8A Active CN114236859B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114236859B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040213514A1 (en) * 2003-04-24 2004-10-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device
CN105750729A (zh) * 2016-05-03 2016-07-13 长春理工大学 具有柱面分布微柱面透镜线阵光学镜头的激光加工装置
CN109557675A (zh) * 2018-12-20 2019-04-02 哈尔滨工业大学 基于非球面镜像差效应的长焦深激光光束均匀化光学系统
CN109581671A (zh) * 2018-11-15 2019-04-05 合肥富煌君达高科信息技术有限公司 一种新型激光二极管整形光路设计

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040213514A1 (en) * 2003-04-24 2004-10-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device
CN105750729A (zh) * 2016-05-03 2016-07-13 长春理工大学 具有柱面分布微柱面透镜线阵光学镜头的激光加工装置
CN109581671A (zh) * 2018-11-15 2019-04-05 合肥富煌君达高科信息技术有限公司 一种新型激光二极管整形光路设计
CN109557675A (zh) * 2018-12-20 2019-04-02 哈尔滨工业大学 基于非球面镜像差效应的长焦深激光光束均匀化光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114236859B (zh) 2023-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101140196B (zh) 透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法
Zimmermann et al. Microlens laser beam homogenizer: from theory to application
CN104597436B (zh) 一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置
CN112859538B (zh) 一种基于声光偏转器的双光子聚合激光直写加工系统
KR20130030253A (ko) 레이저 광선 제공 장치 및 선형 배광 재생 장치
CN104374695A (zh) 一种用于libs远程探测的望远聚焦收集系统和方法
CN102998006A (zh) 飞秒激光脉冲形状的测量装置
WO2019024359A1 (zh) 激光光束匀化装置及方法
CN110736721A (zh) 基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法
CN102721529B (zh) 大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法
CN114236859A (zh) 一种基于全反射积分腔的片光能量均匀化光学整形系统
CN205898637U (zh) 用于流式细胞仪多色激光聚焦的反射系统
CN109557675B (zh) 基于非球面镜像差效应的长焦深激光光束均匀化光学系统
CN209878593U (zh) 一种长波红外多普勒差分干涉仪
CN108872178B (zh) 光晶格成像装置
CN103885186B (zh) 一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形系统
CN106770335B (zh) 一种基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统与方法
Song et al. Optical system design of sheet-beam energy homogenization based on total reflection integral cavity
CN208155564U (zh) 反射型光束分割延迟器
CN113900079A (zh) 一种用于全光超快成像的补偿校正装置及方法
Reitemeyer et al. Cover glass influence on high power fiber laser induced focus shift
CN103076674A (zh) 一种利用光热效应改变激光传输特性的装置
CN107024760B (zh) 一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统
CN104678556A (zh) 一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统
CN108344563A (zh) 反射型光束分割延迟器及测量分幅相机时间分辨率的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant