CN116068775B - 一种多波长异形光束的整形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波长异形光束的整形装置及方法，属于光路整形领域。本发明的多波长异形光束整形装置，利用电机控制光学元件的角位移和线位移，实现光束的高精度整形。本发明开发了多波长激光整形光路，实现各波长激光束的独立整形，使所输出的异形光束满足不同类型的激光诱导荧光/磷光测试技术和PIV流场测速技术的光路系统要求；同时，基于电动控制原理及光学几何原理，设计了高精度角位移/线位移控制系统。本发明的多波长异形光束整形装置加工方便，调试精度高，装置集成度高，适用于不同的激光类测试场景，可移植性强，调试方便。
Description
技术领域
本发明属于光路整形领域，尤其是一种多波长异形光束的整形装置及方法。
背景技术
在现代航空航天领域，流速的高精度测量对发动机的设计和理论研究具有重大的意义。高精度可靠的流场参数测量技术在燃烧基础问题研究、流场特性分析、发动机研发中起着关键的作用，不仅能为流体动力学、燃烧化学反应动力学研究和数值模拟计算提供实验数据，也是发动机模型参数测试和发动机性能评估不可或缺的手段。近几年来，随着激光技术和光谱、图像采集技术的蓬勃发展，激光诱导荧光/磷光类流场测试技术取得了众多应用。通过在主流场中加入示踪分子，利用特定波长的激光激发示踪分子产生荧光(或磷光)对流场进行标记示踪，进而基于示踪分子的位移-时间关系获得流场速度；或通过测量流场内特定分子受不同波长的激光所发出的光谱能量之比，基于该比值与温度之间的关联获得流场温度。据统计，在开展上述类型实验中，光学光路调试的时间占据实验全部时长的80％以上。
对于光学光路的调试，常用方法是利用光学隔振台提供水平、稳固的支撑，对光路中各光学元件的安装位置(如反射镜的位置、偏转角度以及分束器的位置等)进行手动调整，并根据实际光束的成型质量进一步手动调整，直至最终调试结果满足实验测试需求。现有的调试方法，一方面需要频繁对光学元件进行装拆操作，耗时长、光学元件容易在拆装过程中被损坏；另一方面，针对不同的测量对象，光学光路需要重新搭建和调试，此过程为经验性的重复劳动，不利于该测试技术的发展。此外，手动调整方式误差大且限制性较高，不能够在确定测量范围内生成不同形状参数的异形激光束，限制了激光诱导荧光/磷光类测试技术的进一步发展和测试精度的提升。因此，急需一种集成的高精度异形光束整形装置，能够实现激光诱导荧光/磷光类测试技术中形状参数可控、形状可调的多波长异形光束的输出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多波长异形光束的整形装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种多波长异形光束的整形装置，包括镜座电动控制模块，所述镜座电动控制模块包括“田”字形结构的框架，所述上下框架上分别设有两个能够在所述框架上移动的镜座，上框架上设有第一镜座和第二镜座，所述下框架上设有第三镜座和第四镜座，所述镜座均能够旋转至与框架所在的平面成预设角度；
所述第三镜座上设有第一固定台，所述第四镜座上设有第二固定台；
所述框架中间的十字型结构的交叉处设有交叉位移块，所述交叉位移块能够依靠十字型结构的框架进行二维运动，所述交叉位移块上设有第五镜座；
所述镜座和十字型结构的框架分别由各自的伺服电机进行驱动；
所述第一镜座上设有第一反射镜，第二镜座上设有分光镜，所述第三镜座上设有第三反射镜，所述第四镜座上设有第二反射镜，所述第一固定台上设有第二分束镜或第一衍射矩形光束生成器，对应的，第二固定台上设有第一分束镜或第二衍射矩形光束生成器，以上构成第一波长光路系统；
所述第五镜座上用于安装第四反射镜、平凹柱面镜和平凸柱面镜，第四反射镜的反射光依次通过平凹柱面镜和平凸柱面镜，所述第四反射镜、平凹柱面镜和平凸柱面镜构成第二波长光路系统；
所述镜座电动控制模块封装在封装模块壳体内，所述封装模块壳体的两侧分别设有第一入光口和第二入光口，所述封装模块壳体的前侧面设有出射口；
当进行多波长异形光束的整形时，一束激光入射光束通过偏振片后进入第一波长光路系统，经第一波长光路系统的光学镜组的作用输出形状参数可调的交叉网格型光束，出射光束由出射口射出，指向待测试区域；
或者，当进行多波长异形光束的整形时，一束激光入射光束通过偏振片后进入第一波长光路系统，经第一波长光路系统的光学镜组的作用输出为形状参数可调的交叉网格型光束；同时，另一束激光入射光通过第二波长光路系统的光学镜组的作用输出形状参数可调的纺锤形光束，两个出射光束由出射口射出，指向待测试区域。
一种多波长异形光束的整形方法，包括以下操作：
获取待整形异形光束的形状参数，基于光路的几何关系计算各个光学元件的最终位置；
基于所述光学元件的最终位置，计算对应的线位移和角位移；
利用伺服电机控制对应镜座的角位移和线位移，同步或独立调节第一波长光路系统和第二波长光路系统中镜座的角位移和线位移，从而实现第一波长光路系统和第二波长光路系统的异形光束的形状参数调整。
进一步的，产生用于激光诱导荧光类测试的光束、产生用于激光诱导磷光类测试的光束或产生用于PIV流场测速试验的光束。
进一步的，当产生用于激光诱导荧光类测试的光束时，具体为：
(1)将所述出射口对准待测试区域，将多波长异形光束的整形装置固定于光学隔振台上；
(2)将波长355nm激光光束、波长226nm激光光束分别射向第一入光口和第二入光口；
(3)按照测试所需的异形光束形状尺寸，控制各伺服电机的行进量；
(4)355nm波长的激光束进入经偏振片后进入第一波长光路系统内，经分束镜后，激光束一分为二，分路一的激光束经第二反射镜一次反射后、分路二的激光束经第一反射镜和第三反射镜的两次反射后，二者分别经分束镜进行分束后，经出射口输出；
226nm波长的激光束进入第二波长光路系统内，经第四反射镜，使激光束的前进方向与整形装置中心线重合，后依次经平凹柱面镜和平凸柱面镜，形成纺锤形光束，所述纺锤形光束经出射口输出；
交叉网格状的异形光束和纺锤形光束射向待测试区域。
进一步的，步骤(3)具体的调节操作为：
调节第一波长光学系统中的第二反射镜和第三反射镜的角位移旋转量、第一反射镜和第三反射镜的位移前进量和第二反射镜与分光镜的位移前进量来调整355nm波长的交叉网格光束；
与此同时，第二波长光学系统中的镜座进行同步位移，使得两光路系统的输出光束实现中心重合；
调节平凸柱面镜与平凹柱面镜的之间的距离，以调整纺锤形光束的几何尺寸。
进一步的，当产生用于激光诱导磷光类测试的光束时，具体操作为：
(1)将第一波长光路系统中的光学元件全部更换为适用于355nm波长的光学元件，之后封装完好；
将出射口对准待测试区域，确保二者中心线重合后，之后固定于光学隔振台上；
(2)按照测试所需的异形光束形状尺寸，调节各伺服电机的行进量；调节第二反射镜和第三反射镜的角位移旋转量、第一反射镜和第三反射镜的位移前进量和第二反射镜与分光镜的位移前进量，来调整异形光束形状尺寸；
(3)将波长355nm的激光束经偏振片后由第二入光口进入第一波长光路系统内，355nm波长的激光束经分束镜后一分为二，分路一的激光束经第二反射镜一次反射、分路二的激光束经第一反射镜和第三反射镜两次反射后，分别经分束镜分束后，交汇在一起，形成交叉网格状的异形光束，经过出射口射向待测试区域。
进一步的，当产生用于PIV流场测速试验的光束时，具体为：
(1)将第一波长光路系统中的光学元件全部更换为适用于532nm波长的光学元件，之后封装完好；
将出射口对准待测试区域，确保二者中心线重合后，之后固定于光学隔振台上；
(3)根据实际的测试需求的交叉的矩形光束参数，调节伺服电机的行进量；
(4)532nm波长的激光束经一偏振片，进入第一波长光路系统，经分束镜激光束一分为二，分路一的激光束经第二反射镜的一次反射、分路二的激光束经第一反射镜和第三反射镜的两次反射后，分别经对应的衍射矩形光束生成器进行整修，分别得到单光斑的矩形光束，交汇后形成交叉的矩形光束，经出射口后射向待测试区域。
进一步的，步骤(3)中，调节第二反射镜和第三反射镜的角位移旋转量、第一反射镜和第三反射镜的位移前进量和第二反射镜与分光镜的位移前进量，以调整532nm波长的交叉矩形光束。
进一步的，当产生用于PIV流场测速试验的光束时，步骤(4)还包括：
532nm波长的激光束进入第二波长光路系统，经第四反射镜后，激光束前进方向与整形装置中心线重合，之后依次经平凹柱面镜和平凸柱面镜，从而形成纺锤形光束；
调节平凸柱面镜和平凹柱面镜的相对距离来调整纺锤形光束的几何尺寸。
进一步的，交叉网格状的异形光束的交叉网格个数为1～132。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的多波长异形光束整形装置，利用电机控制光学元件的角位移和线位移，实现光束的高精度整形。本发明开发了多波长激光整形光路，实现各波长激光束的独立整形，使所输出的异形光束满足不同类型的激光诱导荧光/磷光测试技术和PIV流场测速技术的光路系统要求；同时，基于电动控制原理及光学几何原理，设计了高精度角位移/线位移控制系统。一方面，各波长激光束在装置内部相互独立，可以实现多波长激光束的不同整形需求；另一方面能够精确控制光学元件运动的角位移和线位移，提升了光路调试的精度，节省了光路调试时间，从而解决了激光诱导荧光/磷光类测试技术中光路调试方法笨、慢、精度差等问题；本发明的多波长异形光束整形装置加工方便，调试精度高，装置集成度高，适用于不同的激光类测试场景，可移植性强，调试方便。
进一步的，采用伺服电机为光学元件运动控制机构的动力源，可根据光学几何原理，测算实际生成异形光束的形状参数理论值。
进一步的，本发明采用金属外壳封装，封装模块上开设有出光孔，能够减少光学元件与外界的接触，延长光学元件的使用寿命，并提升系统的集成度，可移植性强。
附图说明
图1为本发明的镜座电动控制模块的结构图；
图2为本发明的激光诱导荧光类实验光路示意图；
图3为本发明的激光诱导磷光类实验光路示意图；
图4为本发明的双脉冲激光PIV实验光路示意图；
图5为本发明的单脉冲激光PIV实验光路示意图；
图6为本发明的封装模块主视图；
图7为本发明的单网格角/线位移计算方法示意图；
图8为本发明的交叉位移结构示意图。
其中：01-伺服电机；02-伞齿轮减速箱；03-第一联轴器；04-调距旋钮；05-传动齿条；06-传动齿条卡箍；07-第二联轴器；08-电动微角度旋转平台；09-横向位移槽；10-固定滑块；11-定距齿条；12-固定台；13-第三联轴器；14-第一反射镜；15-分光镜；16-偏振片；17-第二反射镜；18-第一分束镜；19-第二分束镜；20-第三反射镜；21-第四反射镜；22-平凹柱面镜；23-平凸柱面镜；24-第一衍射矩形光束生成器；25-第二衍射矩形光束生成器；26-第一入光口；27-电源指示灯；28-第二入光口；29-第二入光口开关；30-封装模块壳体；31-出射口；32-第一入光口开关；33-交叉位移块；34-竖向位移槽；08-1-第一镜座；08-2-第二镜座；08-3-第三镜座；08-4-第四镜座；08-5-第五镜座；12-1-第一固定台；12-2-第二固定台；33-1-交叉位移块上接板；33-2-交叉位移块下接板；33-3-交叉位移块中心十字限位器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种可控形状参数的多波长异形光束整形装置，包括镜座电动控制模块、波长a异形光束整形模块、波长b异形光束整形模块和封装模块。
参见图6，图6是封装模块主视图封装模块是由2mm钢制平板焊接/钣金/切割而成的方形空腔，其作用是固定镜座电动控制模块，使外部输入激光光束进入装置和输出整形后的异形光束。封装模块包括封装模块壳体30，在三个侧面分别开有波长a的激光光束入射口、波长b的激光光束入射口以及异形光束的出射口31。其中，第一入光口26和第二入光口28所在侧面的对应关系为对侧分布(分别位于右侧面与左侧面)，异形光束出射口31设在前侧面。
镜座电动控制模块，整体为一“田”字型可移动支撑结构，其作用是调整各镜座的相对位置，控制多波长光束输出位置重合并调整异形光束的几何形状参数。波长a异形光束整形模块是由反射镜、分光镜、凸透镜以及衍射分束器等光学元件组成的光学系统，其中的各光学元件安装于镜座电动控制模块中“口”字型外轮廓上的可移动镜座上，其作用是将波长为a的激光入射光束通过光学镜组输出为形状参数(交叉网格的菱形度)可调的异形(交叉网格型)光束。波整长b异形光束形模块是由反射镜、平凸柱面镜、平凹柱面镜以及衍射整形器等光学元件组成的光学系统，其中的各光学元件安装于镜座电动控制模块中“十”字型外轮廓上的可移动镜座上，作用是将波长为b的激光入射光束通过光学镜组输出光斑为形状参数(长、宽)可调的异形(矩形)光束。
与基于光学平台手动调整整形光路等一般方法不同，本发明中镜座电动控制模块可实现同步/独立控制“田”字型结构中“口”字形结构以及“十”字形结构的脉冲信号移动，从而实现波长a和波长b的异形光束的形状参数调整。
这种支持单脉冲/多脉冲信号控制的微位移或连续位移的调整方式，一方面可以显著减少人工拆装光学镜座的耗时，简化光路调整的操作步骤；另一方面，通过脉冲输出数量获取镜座的实际位移，从而基于几何关系，可预测异形光束的几何形状参数等。上述这种控制方式的优势在于：根据实际所需异形光束的几何形状参数、整形装置与待测试区域的相对位置关系等，可反推出各伺服电机所需的脉冲信号数量，从而实现整形光路的简便调节，解决在实际测试过程中高质量异形光束输出的需求。
镜座电动控制模块是光束整形装置的关键部件。实现镜座单脉冲/多脉冲信号控制的微位移或连续位移可通过下述方案来实现。
结合图1来看，图1是镜座电动控制模块示意图，镜座固定在“口”字形结构以及“十”字形结构上的移动机构上，通过将“口”字形结构拆分为四个单轴，由四台伺服电机驱动分别驱动各轴上的移动机构，进行镜座位置的调整。该结构避免了复杂的传动机构，且因伺服电机本身体积小、重量轻，因此装置整体的体积可控，重量轻，能够固定于竖直平面或其他特殊位置，满足不同的工程/试验测试需求；但由于伺服电机数量的增多，编码器需同时控制四台电机，并处理、分发脉冲信号，对控制系统的要求有较高的要求。镜座电动控制模块包括田字形框架，其中的“口”字形结构拆分为四个单轴，上下的单轴上各设有第一镜座08-1和第二镜座08-2，所述下框架上设有第三镜座08-3和第四镜座08-4，所述第三镜座08-3上设有第一固定台12-1，所述第四镜座08-4上设有第二固定台12-2；十字型结构的交叉处设置一交叉位移块33，第五镜座08-5安装在交叉位移块33上，横向位移槽09和竖向位移槽34分别穿插在交叉位移块33的对应槽内，通过驱动装置驱动横向位移槽09的竖向位移带动第五镜座08-5的移动，以实现第五镜座08-5的竖向位移，通过控制竖向位移槽34的横向位移实现第五镜座08-5的横向位移，从而确保第五镜座08-5具有二维位移的调整能力；四个单轴由四台伺服电机01驱动分别驱动各轴上的移动机构，其中的驱动装置由伺服电机01、伞齿轮减速箱02、第一联轴器03、第二联轴器07、第三联轴器13、传动齿条05和传动齿条卡箍06构成。四条传动齿条05由传动齿条卡箍06和第一联轴器03确保水平，由固定滑块10和齿条卡箍06确保驱动动力可传递至定距齿条11、横向位移槽09及竖向位移槽34并由驱动装置提供动力，定距齿条11、横向位移槽09和竖向位移槽34分别由一对电机驱动，以确保移动过程中力矩平衡，实现微距调整的平稳性。电动微角度旋转平台08与定距齿条11以螺纹连接固定彼此间的相对位置，且两条定距齿条11的两端分别固定有调距旋钮04，通过调整调距旋钮04改变电动微角度旋转平台08与横向位移槽09和竖向位移槽的相对位置(由伺服电机01驱动的过程中，该相对位置为固定值，在封装模块安装前提前预设)。第一固定台12-1和第二固定台12-2的外螺纹螺柱与第三镜座08-3和第四镜座08-4上中心圆孔的内螺纹螺孔配合，用于安装具有固定位置关系的第二反射镜17、第一分束镜18及第三反射镜20、第二分束镜19。
参见图8，图8为本发明的交叉位移结构示意图，该结构由交叉位移块上接板33-1、交叉位移块下接板33-2和交叉位移块中心十字限位器33-3组成。在使用时，首先需将横向位移槽09、竖向位移槽34和交叉位移块中心十字限位器33-3进行配合后，用交叉位移块上接板33-1和交叉位移块下接板33-2进行固定，第五镜座08-5的四个圆柱内螺纹孔与交叉位移块上接板33-1的四个圆柱内螺纹孔配合并用螺栓固定，完成镜座的安装和固定。当横向位移槽09进行竖向移动时，交叉位移块中心十字限位器33-3限制竖向位移槽34的横向移动为0，由于第五镜座08-5与交叉位移块33直接连接固定，故第五镜座08-5的位移受横向位移槽09驱动，并进行竖向位移；而第五镜座08-5的横向位移受竖向位移槽34的驱动，并由交叉位移块中心十字限位器33-3限制横向位移槽09的竖向移动为0，进而实现第五镜座08-5的二维运动调整。
一、针对本发明所提出的可控形状参数的多波长异形光束整形装置，本发明提出了一种采用上述整形装置进行激光诱导荧光类试验的光路调试方法，如下：(以355nm(a波长)激光解离NO2生成NO基团，226nm(b波长)激光激发NO基团产生荧光为例)
激光诱导荧光类试验需要两路激光，一路作为标记激光束(交叉网格形)，用于解离待测试区域的分子，形成分子基团；另一路作为显示激光束(异形，以能够捕捉尽可能多的分子基团为宜)，用于激发待测试区域中的解离产物(分子基团)，产生荧光。结合图2来看，图2激光诱导荧光类实验光路示意图。
(1)将封装好的多波长异形光束整形装置的出射口31对准待测试区域，确保二者中心线重合后，水平固定整形装置于光学隔振台上(根据实际需要，可进行竖直安装)；
(2)将具有不同波长激光出射能力的两台激光器的出射口分别对准光路整形装置的第一入光口26(波长355nm)和第二入光口28(波长226nm)，打开光路整形装置的第一入光口开关29和第二入光口开关32，待激光器预热完成后(约30分钟)开启激光器，用检光尺确定两入射激光束的光斑的直径约6-8mm，防止光斑过大导致激光照射至内部线路或镜座边缘，造成内部电路或精密元件损毁；
(3)接220V三相交流电源，待电源指示灯27为绿色常亮时，启动镜座电动控制模块，伺服电机01受电后根据自动回位指令，使两不同波长的光路系统自动恢复至输出光束路径与光束整形装置中心线重合的位置。打开出射口31；
(4)355nm波长的激光束进入光路整形装置后，首先经一偏振片16，改变光束的偏振性；后经一分束镜15，激光束一分为二，二者的激光能量根据前述偏振片16的调整，可实现1：9至9：1的连续变化；分路一的激光束经第二反射镜17一次反射、分路二的激光束经第一反射镜14和第三反射镜20的两次反射后，二者于光路整形装置下部的激光束输出口31输出；由于在两分路中的合适位置设有衍射分束元件18和衍射分束元件19，可将每分路中的单光斑、大直径光束整形为多光斑、小直径光束，最终可形成交叉网格状的异形光束(光束交叉网格数量自1至132可调)；
(5)226nm波长的激光束进入光路整形装置后，经第四反射镜21，使其前进方向与整形装置中心线重合，后经平凹柱面镜22，使其在高度方向(平行于整形装置的高度方向)上被压缩后，其宽度方向(平行于整形装置的长-宽平面)上不变；后经平凸柱面镜23，使其宽度方向上被拉伸，从而形成一异形(纺锤形)光束，异形光束的几何尺寸(长轴/短轴)由平凸柱面镜23和平凹柱面镜22的相对距离决定；
(6)按照试验/测试所需的异形光束形状尺寸，在控制端输入各伺服电机01的行进量。其中，355nm波长的交叉网格光束调整分别需要设置第二反射镜17和第三反射镜20的角位移旋转量、分路二第一反射镜14和第三反射镜20的位移前进量和分路一第二反射镜17与分光镜15的位移前进量；226nm波长的光路系统所在的“十”字型结构需根据波长a的光路系统调整量，进行同步位移，确保两光路系统的输出光束实现中心重合；波长b的纺锤形光束调整分别需要设置平凸柱面镜23与平凹柱面镜22的位移前进量；
以图2中第一波长光路系统入射光为水平轴，按逆时针方向为角度增加方向，则分光镜15、第一分束镜18、第三反射镜20、第四反射镜21的初始角度为135°，第一反射镜14、第二反射镜17、第二分束镜19的初始角度为45°，平凹柱面镜22、平凸柱面镜23为0°，其中第四反射镜21、平凹柱面镜22和平凸柱面镜23为固定角度。以交叉网格系统内的单个网格为例(如图所示7)，分别定义棱形度β＝∠3、长宽比b＝llength/lweigth、宽轴长a＝lweigth，则长宽比与菱形度存在对应关系，即：tan(β)＝b。
以第三镜座08-3为例，假设镜片的偏转角度为∠a，网格的菱形度为∠3，则存在偏转角度与菱形度间的关系为：∠3+2∠a＝270，如上方两镜片的偏转角度分别为45°与135°，则有∠a-90°＝∠2。
由于镜片的初始偏转角度∠a1,则根据实际所需的网格菱形度∠3，得角位移Δa＝(270-∠3)/2-∠a1。此时，菱形的长和宽分别为：llength＝l/sin(∠3)、lweigth＝llength/tan(∠3)。而如需根据菱形的长轴、宽轴确定尺寸形状时，则计算∠3的大小，进而反演出最终的角位移偏移量。
由于装置与待测流场的安装误差以及匹配问题，需要通过调整各镜座的线性位移，以确保在期望的位置形成异形光束。这种调整根据光学信号捕捉系统所采集到的光束实际位置与期望位置之间的偏差进行。
(7)手持检光尺，测试出射口处355nm波长的交叉网格异形光束与226nm波长的纺锤形异形光束的重合效果，如检光尺所在截面内纺锤形异形光束能够完全覆盖交叉网格，则光路系统调试完成；如两异形光束重合度不足，则根据步骤6进行调试，如纺锤形异形光束形状不合适，则调整“十”字形结构上226nm波长的光路系统中平凸柱面镜22与平凹柱面镜23的相对位置以及平凸柱面镜22与出射口31的相对位置；
(8)待光路调试完成后，便可开展试验。试验完成后，应先关闭各激光器后，关闭整形装置的第一入光口26、第二入光口28与出射口31，最后关闭整形装置电源。
注：上述说明中的355nm、226nm波长非装置本身所限，可根据实际使用需求，将光路系统中的光学元件换选为其他波长元件即可。
二、针对本发明所提出的可控形状参数的多波长异形光束整形装置，本发明提出了一种采用上述整形装置进行激光诱导磷光类试验的光路调试方法，如下：(以355nm波长诱导联乙酰分子产生磷光为例，图3是激光诱导磷光类实验光路示意图)
激光诱导磷光类试验仅需要一路激光束(交叉网格形)，同时兼有标记和显示的作用，因此仅需关闭整形装置的一路激光入光口即可。
(1)拆开封装模块，将波长a异形光束整形模块中的光学元件全部更换为适用于355nm波长的光学元件，确保更换完毕且固定牢靠后，将多波长异形光束整形装置(后称整形装置)封装完好；
(2)将整形装置的出射口31对准待测试区域，确保二者中心线重合后，水平固定整形装置于光学隔振台上(根据实际需要，可进行竖直安装)；
(3)将激光器的出射口对准光路整形装置的第二入光口28(波长355nm)，打开光路整形装置的第二入光口开关29(确保第一入光口为关闭状态)。待激光器预热完成后(约30分钟)，开启激光器，用检光尺确定入射激光束的光斑的直径约6-8mm，防止光斑过大导致激光照射至内部线路或镜座边缘，造成内部电路或精密元件损毁；
(4)接220V三相交流电源，待电源指示灯27为绿色常亮时，启动镜座电动控制模块，伺服电机01受电后根据自动回位指令，使光路系统自动恢复至输出光束路径与光束整形装置中心线重合的位置。打开出射口31；
(5)355nm波长的激光束进入光路整形装置后，首先经一偏振片16，改变光束的偏振性；后经一分束镜15，激光束一分为二，二者的激光能量根据前述偏振片16的调整，可实现1：9至9：1的连续变化；分路一的激光束经第二反射镜17一次反射、分路二的激光束经第一反射镜14和第三反射镜20两次反射后，二者于光路整形装置下部的激光束出射口31输出；由于在两分路中的合适位置设有衍射分束元件18和衍射分束元件19，可将每分路中的单光斑、大直径光束整形为多光斑、小直径光束，最终可形成交叉网格状的异形光束(光束交叉网格数量自1至132可调)；
(6)按照试验/测试所需的异形光束形状尺寸，在控制端输入各伺服电机01的行进量。355nm波长的交叉网格光束调整分别需要设置第二反射镜17和第三反射镜20的角位移旋转量、分路二中第一反射镜14和第三反射镜20的位移前进量和分路一中第二反射镜17与分光镜15的位移前进量；
(7)手持检光尺，测试出射口处355nm波长的交叉网格异形光束，确保交叉网格中心线与整形装置中心线重合。此外，按照步骤6调试各伺服电机01的行进量，可实现具有不同顶角角度的交叉网格异形光束；
(8)待光路调试完成后，便可开展试验。试验完成后，应先关闭各激光器后，关闭整形装置的第一入光口26、第二入光口28与出射口31，最后关闭整形装置电源。
三、针对本发明所提出的可控形状参数的多波长异形光束整形装置，本发明提出了一种采用该整形装置进行PIV流场测速试验的光路调试方法，如下：(以532nm波长双脉冲激光照射示踪粒子为例，图4是双脉冲激光PIV实验光路示意图)
PIV流场测速试验需要短延时的两束激光相继照射同一区域，配合专用相机分别拍摄两幅粒子位移图像，从而利用算法计算粒子位移求得速度场。其光路需要具备两个功能：1.严格重合；2.光斑形状应为扁平的纺锤形或长宽比极大的矩形。双脉冲激光束为两台同型号激光器将各自出射口用专用转换设备转接至同一光路系统中，实现上述功能。
(1)拆开封装模块，将装置内部的所有光学元件全部更换为适用于532nm波长的光学元件，波长a异形光束整形模块尾端的两衍射分束元件更换为第一衍射矩形光束生成器24和第二衍射矩形光束生成器25。确保更换完毕且固定牢靠后，将多波长异形光束整形装置(后称整形装置)封装完好；
(2)将整形装置的出射口31对准待测试区域，确保二者中心线重合后，水平固定整形装置于光学隔振台上(根据实际需要，可进行竖直安装)；
(3)将激光器的出射口对准光路整形装置的第二入光口28(波长532nm)，打开光路整形装置的第二入光口开关29(确保第一入光口为关闭状态)。待激光器预热完成后(约30分钟)，开启激光器，用检光尺确定入射激光束的光斑的直径约6-8mm，防止光斑过大导致激光照射至内部线路或镜座边缘，造成内部电路或精密元件损毁；
(4)接220V三相交流电源，待电源指示灯27为绿色常亮时，启动镜座电动控制模块，伺服电机01受电后根据自动回位指令，使光路系统自动恢复至输出光束路径与光束整形装置中心线重合的位置。打开出射口31；
(5)532nm波长的激光束进入光路整形装置后，首先经一偏振片16，改变光束的偏振性；后经一分束镜15，激光束一分为二，二者的激光能量根据偏振片16的调整，可实现1：9至9：1的连续变化；分路一的激光束经第二反射镜17的一次反射、分路二的激光束经第一反射镜14和第三反射镜20的两次反射后，二者于光路整形装置下部的激光束出射口31输出；由于在两分路中的合适位置设有第一衍射矩形光束生成器24和第二衍射矩形光束生成器25，可将每分路中的单光斑、大直径圆形光束整形为单光斑的矩形光束，最终可形成交叉的两矩形光束；
(6)根据实际的试验/测试需求，在控制端输入各伺服电机01的行进量。532nm波长的交叉矩形光束调整分别需要设置第二反射镜17和第三反射镜20的角位移旋转量、分路二两第一反射镜14和第三反射镜20的位移前进量和分路一第二反射镜17与分光镜15的位移前进量；
(7)目测待测试区域内的532nm波长激光的照射亮度，确保交叉矩形光束的照射区域完全覆盖待测试区域。此外，交叉矩形光束能够对方腔类试验测试区域进行无死角照射，利于试验；
(8)待光路调试完成后，便可开展试验。试验完成后，应先关闭各激光器后，关闭整形装置的第一入光口26、第二入光口28与出射口31，最后关闭整形装置电源。
四、针对本发明所提出的可控形状参数的多波长异形光束整形装置，本发明提出了一种采用上述整形装置进行PIV流场测速试验的光路调试方法，如下：(以两台532nm波长单脉冲激光照射示踪粒子为例，图5为单脉冲激光PIV实验光路示意图)
PIV流场测速试验需要短延时的两束激光相继照射同一区域，配合专用相机分别拍摄两幅粒子位移图像，从而利用算法计算粒子位移求得速度场。其光路需要具备两个功能：1.严格重合；2.光斑形状应为扁平的纺锤形或长宽比极大的矩形。两台单脉冲激光具有较好的独立性，因此需要专设一光路调试装置用于调试两束激光实现上述功能，本发明可实现该功能。
(1)拆开封装模块，将装置内部的所有光学元件全部更换为适用于532nm波长的光学元件，波长a异形光束整形模块尾端的两衍射分束元件更换为第一衍射矩形光束生成器24和第二衍射矩形光束生成器25。确保更换完毕且固定牢靠后，将多波长异形光束整形装置(后称整形装置)封装完好；
(2)将整形装置的出射口31对准待测试区域，确保二者中心线重合后，水平固定整形装置于光学隔振台上(根据实际需要，可进行竖直安装)；
(3)将两台532nm激光器的出射口分别对准光路整形装置的第一入光口26和第二入光口28，打开光路整形装置的第一入光口开关32和第二入光口开关29。待激光器预热完成后(约30分钟)，开启激光器，用检光尺确定入射激光束的光斑的直径约6-8mm，防止光斑过大导致激光照射至内部线路或镜座边缘，造成内部电路或精密元件损毁；
(4)接220V三相交流电源，待电源指示灯27为绿色常亮时，启动镜座电动控制模块，伺服电机01受电后根据自动回位指令，使光路系统自动恢复至输出光束路径与光束整形装置中心线重合的位置。打开出射口；
(5)右侧532nm波长的激光束进入光路整形装置后，首先经一偏振片16，改变光束的偏振性；后经一分束镜15，激光束一分为二，二者的激光能量根据前述偏振片16的调整，可实现1：9至9：1的连续变化；分路一的激光束经第二反射镜17的一次反射、分路二的激光束经第一反射镜14和第三反射镜20的两次反射后，二者于光路整形装置下部的激光束出射口31输出；由于在两分路中的合适位置设有第一衍射矩形光束生成器24和第二衍射矩形光束生成器25，可将每分路中的单光斑、大直径圆形光束整形为单光斑的矩形光束，最终可形成交叉的矩形光束；
(6)左侧532nm波长的激光束进入光路整形装置后，首先经第四反射镜21，使其前进方向与整形装置中心线重合，后经平凹柱面镜22，使其在高度方向(平行于整形装置的高度方向)上被压缩后，其宽度方向(平行于整形装置的长-宽平面)上不变；后经平凸柱面镜23，使其宽度方向上被拉伸，从而形成一异形(纺锤形)光束，异形光束的几何尺寸(长轴/短轴)由平凸柱面镜23和平凹柱面镜22的相对距离决定；
(7)根据实际的试验/测试需求，在控制端输入各伺服电机01的行进量。右侧532nm波长的交叉矩形光束调整分别需要设置第二反射镜17和第三反射镜20的角位移旋转量、分路二第一反射镜14和第三反射镜20的位移前进量和分路一第二反射镜17与分光镜15的位移前进量；左侧532nm波长的光路系统所在的“十”字型结构需根据“口”字形光路系统调整量，进行同步位移，确保两光路系统的输出光束实现中心重合；纺锤形光束调整需要分别设置平凸柱面镜23与平凹柱面镜22的位移前进量；
(7)目测待测试区域内的532nm波长激光的照射亮度，确保交叉矩形光束的照射区域完全覆盖待测试区域、纺锤形异形光束与交叉矩形光束严格重叠；
(8)待光路调试完成后，便可开展试验。试验完成后，应先关闭各激光器后，关闭整形装置的第一入光口26、第二入光口28与出射口31，最后关闭整形装置电源。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多波长异形光束的整形装置，其特征在于，包括镜座电动控制模块，所述镜座电动控制模块包括“田”字形结构的框架，所述上下框架上分别设有两个能够在所述框架上移动的镜座，上框架上设有第一镜座(08-1)和第二镜座(08-2)，所述下框架上设有第三镜座(08-3)和第四镜座(08-4)，所述镜座均能够旋转至与框架所在的平面成预设角度；
所述第三镜座(08-3)上设有第一固定台(12-1)，所述第四镜座(08-4)上设有第二固定台(12-2)；
所述框架中间的十字型结构的交叉处设有交叉位移块(33)，所述交叉位移块(33)能够依靠十字型结构的框架进行二维运动，所述交叉位移块(33)上设有第五镜座(08-5)；
所述镜座和十字型结构的框架分别由各自的伺服电机进行驱动；
所述第一镜座(08-1)上设有第一反射镜(14)，第二镜座(08-2)上设有分光镜(15)，所述第三镜座(08-3)上设有第三反射镜(20)，所述第四镜座(08-4)上设有第二反射镜(17)，所述第一固定台(12-1)上设有第二分束镜(19)或第一衍射矩形光束生成器(24)，对应的，第二固定台(12-2)上设有第一分束镜(18)或第二衍射矩形光束生成器(25)，以上构成第一波长光路系统；
所述第五镜座(08-5)上用于安装第四反射镜(21)、平凹柱面镜(22)和平凸柱面镜(23)，第四反射镜(21)的反射光依次通过平凹柱面镜(22)和平凸柱面镜(23)，所述第四反射镜(21)、平凹柱面镜(22)和平凸柱面镜(23)构成第二波长光路系统；
所述镜座电动控制模块封装在封装模块壳体(30)内，所述封装模块壳体(30)的两侧分别设有第一入光口(26)和第二入光口(28)，所述封装模块壳体(30)的前侧面设有出射口(31)；
当进行多波长异形光束的整形时，一束激光入射光束通过偏振片(16)后进入第一波长光路系统，经第一波长光路系统的光学镜组的作用输出形状参数可调的交叉网格型光束，出射光束由出射口(31)射出，指向待测试区域；
或者，当进行多波长异形光束的整形时，一束激光入射光束通过偏振片(16)后进入第一波长光路系统，经第一波长光路系统的光学镜组的作用输出为形状参数可调的交叉网格型光束；同时，另一束激光入射光通过第二波长光路系统的光学镜组的作用输出形状参数可调的纺锤形光束，两个出射光束由出射口(31)射出，指向待测试区域。
2.一种多波长异形光束的整形方法，其特征在于，基于权利要求1所述的多波长异形光束的整形装置进行，包括以下操作：
获取待整形异形光束的形状参数，基于光路的几何关系计算各个光学元件的最终位置；
基于所述光学元件的最终位置，计算对应的线位移和角位移；
利用伺服电机控制对应镜座的角位移和线位移，同步或独立调节第一波长光路系统和第二波长光路系统中镜座的角位移和线位移，从而实现第一波长光路系统和第二波长光路系统的异形光束的形状参数的整形。
3.根据权利要求2所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，产生用于激光诱导荧光类测试的光束、产生用于激光诱导磷光类测试的光束或产生用于PIV流场测速试验的光束。
4.根据权利要求3所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，当产生用于激光诱导荧光类测试的光束时，具体为：
(1)将所述出射口(31)对准待测试区域，将多波长异形光束的整形装置固定于光学隔振台上；
(2)将波长355nm激光光束、波长226nm激光光束分别射向第一入光口(26)和第二入光口(28)；
(3)按照测试所需的异形光束形状尺寸，控制各伺服电机的行进量；
(4)355nm波长的激光束进入经偏振片(16)后进入第一波长光路系统内，经分束镜(15)后，激光束一分为二，分路一的激光束经第二反射镜(17)一次反射后、分路二的激光束经第一反射镜(14)和第三反射镜(20)的两次反射后，二者分别经分束镜进行分束后，经出射口(31)输出；
226nm波长的激光束进入第二波长光路系统内，经第四反射镜(21)，使激光束的前进方向与整形装置中心线重合，后依次经平凹柱面镜(22)和平凸柱面镜(23)，形成纺锤形光束，所述纺锤形光束经出射口(31)输出；
交叉网格状的异形光束和纺锤形光束射向待测试区域。
5.根据权利要求4所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，步骤(3)具体的调节操作为：
调节第一波长光学系统中的第二反射镜(17)和第三反射镜(20)的角位移旋转量、第一反射镜(14)和第三反射镜(20)的位移前进量和第二反射镜(17)与分光镜(15)的位移前进量来调整355nm波长的交叉网格光束；
与此同时，第二波长光学系统中的镜座进行同步位移，使得两光路系统的输出光束实现中心重合；
调节平凸柱面镜(23)与平凹柱面镜(22)的之间的距离，以调整纺锤形光束的几何尺寸。
6.根据权利要求3所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，当产生用于激光诱导磷光类测试的光束时，具体操作为：
(1)将第一波长光路系统中的光学元件全部更换为适用于355nm波长的光学元件，之后封装完好；
将出射口(31)对准待测试区域，确保二者中心线重合后，之后固定于光学隔振台上；
(2)按照测试所需的异形光束形状尺寸，调节各伺服电机(01)的行进量；调节第二反射镜(17)和第三反射镜(20)的角位移旋转量、第一反射镜(14)和第三反射镜(20)的位移前进量和第二反射镜(17)与分光镜(15)的位移前进量，来调整异形光束形状尺寸；
(3)将波长355nm的激光束经偏振片(16)后由第二入光口(28)进入第一波长光路系统内，355nm波长的激光束经分束镜(15)后一分为二，分路一的激光束经第二反射镜(17)一次反射、分路二的激光束经第一反射镜(14)和第三反射镜(20)两次反射后，分别经分束镜分束后，交汇在一起，形成交叉网格状的异形光束，经过出射口(31)射向待测试区域。
7.根据权利要求3所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，当产生用于PIV流场测速试验的光束时，具体为：
(1)将第一波长光路系统中的光学元件全部更换为适用于532nm波长的光学元件，之后封装完好；
将出射口(31)对准待测试区域，确保二者中心线重合后，之后固定于光学隔振台上；
(3)根据实际的测试需求的交叉的矩形光束参数，调节伺服电机(01)的行进量；
(4)532nm波长的激光束经一偏振片(16)，进入第一波长光路系统，经分束镜(15)激光束一分为二，分路一的激光束经第二反射镜(17)的一次反射、分路二的激光束经第一反射镜(14)和第三反射镜(20)的两次反射后，分别经对应的衍射矩形光束生成器进行整修，分别得到单光斑的矩形光束，交汇后形成交叉的矩形光束，经出射口(31)后射向待测试区域。
8.根据权利要求7所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，步骤(3)中，调节第二反射镜(17)和第三反射镜(20)的角位移旋转量、第一反射镜(14)和第三反射镜(20)的位移前进量和第二反射镜(17)与分光镜(15)的位移前进量，以调整532nm波长的交叉矩形光束。
9.根据权利要求7所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，当产生用于PIV流场测速试验的光束时，步骤(4)还包括：
532nm波长的激光束进入第二波长光路系统，经第四反射镜(21)后，激光束前进方向与整形装置中心线重合，之后依次经平凹柱面镜(22)和平凸柱面镜(23)，从而形成纺锤形光束；
调节平凸柱面镜(23)和平凹柱面镜(22)的相对距离来调整纺锤形光束的几何尺寸。
10.根据权利要求3～9任一项所述的多波长异形光束的整形方法，其特征在于，交叉网格状的异形光束的交叉网格个数为1～132。
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