一種激光片光光路的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種激光片光光路，屬于流體力學實驗【技術領域】，該光路主要由球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡組成，所述球面透鏡靠近激光器出光口，鮑威爾棱鏡和柱面透鏡依次沿光束傳播方向布置在球面透鏡之后，球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡的中心與激光光束的中軸同軸，三者之間的距離連續(xù)可調(diào)。該光路具有結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)生的片光強度均勻且滿足大范圍流動測量的需求。
【專利說明】一種激光片光光路

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于流體力學實驗【技術領域】，特別涉及一種產(chǎn)生光強均勻分布的激光片光的光路。

【背景技術】
[0002]激光具有單色性好、方向性好和光強度高等優(yōu)點，是實驗流體力學中最常用的光源，其中，由激光束擴展而成的激光片光是粒子圖像測速技術(PIV)、激光誘導熒光技術(LIF)和流動可視化技術(FV)等現(xiàn)代流動測量技術主要選用的光源。
[0003]將激光束擴展為激光片光可以有多種光路形式。例如，魏潤杰提出的《一種高速粒子圖像測速裝置》(中國專利CN200720140441.7)公開了一種利用平凸球面透鏡和平凹柱面透鏡將激光束擴展為扇形片光的方法，其中，平凹柱面透鏡用于將光束擴展為扇形片光，平凸球面透鏡用于控制片光的厚度。這種光路的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但其缺點也極為明顯:一方面，柱面透鏡生成的片光的強度沿寬度呈高斯分布，另一方面，扇形片光的寬度沿傳播方向線性增大，導致光強沿傳播方向線性減小，上述特征使得光強在測量平面內(nèi)分布不均勻，降低測量結(jié)果的精度。為了改善激光片光的均勻性，清華大學王興奎、鐘強、陳啟剛、李丹勛等人提出的《一種用于流速測量的高頻圖像采集系統(tǒng)》(中國專利CN201110307172)公開了一種由兩個平凸柱面透鏡和兩個平凹柱面透鏡組成的片光光路，該光路可以將激光束擴展為矩形片光，顯著提高了光強沿傳播方向的均勻性，但并未改善光強沿寬度方向的均勻性。
[0004]除上述不足外，已有片光光路主要適用于測量寬度為1cm左右的情況。對于專利CN200720140441.7中公開的扇形片光光路，當測量寬度增加至50cm甚至更大時，光強沿寬度方向的不均勻性將進一步降低測量結(jié)果的準確性。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是為克服現(xiàn)有激光片光光路裝置產(chǎn)生的片光強度不均勻，以及無法滿足大范圍高精度測量的不足，提出一種新型的激光片光光路，該光路具有結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)生的片光強度均勻且滿足大范圍流動測量的需求。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0006]本實用新型提出的激光片光光路主要由球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡組成，所述球面透鏡靠近激光器出光口，鮑威爾棱鏡和柱面透鏡依次沿光束傳播方向布置在球面透鏡之后，球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡的中心與激光光束的中軸同軸，三者之間的距離連續(xù)可調(diào)。
[0007]所述球面透鏡的出射透光面為凸球面,入射透光面為平面或凸球面；所述鮑威爾棱鏡為入射透光面呈楔形、出射透光面為平面的標準光學劃線棱鏡；所述柱面透鏡的出射透光面為凸柱面，入射透光面為平面或凸柱面，當入射透光面為凸柱面時，其母線與出射透光面的母線相互垂直。
[0008]所述球面透鏡的主要作用是縮小入射光束的直徑，使得光束大小滿足鮑威爾棱鏡的進光要求，同時也可輔助縮小激光片光的厚度；所述鮑威爾棱鏡將光束擴展為強度沿寬度方向均勻分布的扇形片光；所述柱面透鏡的縱向截面與扇形片光平行，用于將扇形片光收縮為矩形片光。
[0009]當柱面透鏡的入射透光面為凸柱面時，入射透光面可縮小矩形片光的厚度。
[0010]當激光器發(fā)出的光束直徑大小滿足鮑威爾棱鏡的進光要求時，所述的激光片光光路可簡化為由鮑威爾棱鏡和柱面透鏡組成。
[0011]本實用新型的技術特點為:
[0012](I)結(jié)構(gòu)簡單。本實用新型所提出的激光片光光路由球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡三個光學元件組成，當激光光束直徑滿足鮑威爾棱鏡進光要求時，該光路可簡化為僅由鮑威爾棱鏡和柱面透鏡組成。
[0013](2)產(chǎn)生的片光強度均勻。由于使用鮑威爾棱鏡擴展光束，使得片光強度沿寬度方向均勻分布；同時，由于激光片光被收縮為矩形片光，使得光強沿光束傳播方向均勻分布。
[0014](3)可滿足大尺度高精度測量的需求。通過改變柱面透鏡和鮑威爾棱鏡的型號以及兩者之間的相對距離，本實用新型可產(chǎn)生任意寬度的均勻矩形片光，可滿足任意尺度流動測量的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1(a)和圖1(b)為本實用新型的激光片光光路組成示意圖，其中圖1 (a)為正視圖，圖1 (b)為俯視圖；
[0016]圖2(a)和圖2(b)示意本實用新型的激光片光光路各部分的作用，其中圖2 (a)為正視圖，圖2 (b)為俯視圖；
[0017]圖3為本實用新型的實施例一的應用效果正視圖；
[0018]圖4為本實用新型的實施例二的應用效果正視圖；
[0019]圖5為本實用新型的實施例三的應用效果俯視圖。

【具體實施方式】
[0020]以下將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型的一種激光片光光路進行詳細說明。
[0021]本實用新型提出的激光片光光路，如圖1(a)和圖1(b)所示，該光路主要由球面透鏡1、鮑威爾棱鏡2和柱面透鏡3組成。其中，球面透鏡I靠近激光器出光口，鮑威爾棱鏡2和柱面透鏡3依次沿激光光束4傳播方向設置在球面透鏡I之后，球面透鏡1、鮑威爾棱鏡2和柱面透鏡3的中心與光束中心軸4共軸，球面透鏡1、鮑威爾棱鏡2和柱面透鏡3之間的距離連續(xù)可調(diào)；球面透鏡的出射透光面11為凸球面，入射透光面12為平面或凸球面；鮑威爾棱鏡2為入射透光面呈楔形、出射透光面為平面的標準光學劃線棱鏡；柱面透鏡3的出射透光面31為凸柱面，入射透光面32為平面或凸柱面，當入射透光面32為凸柱面時，透光面32母線與透光面31的母線相互垂直。
[0022]本實用新型的激光片光光路中各部分的作用如2(a)和圖2(b)示:球面透鏡I的主要作用是縮小入射光束4的直徑，一方面使得激光光束5的大小滿足鮑威爾棱鏡2的進光要求，另一方面也可以輔助縮小后續(xù)激光片光7的厚度；鮑威爾棱鏡2將高斯分布的激光光束5擴展為強度沿寬度方向均勻分布的扇形激光片光6 ;柱面透鏡3的縱向截面與扇形片光6平行，出射透光面31與入射透光面32共同將扇形片光6收縮為矩形激光片光7，當入射透光面32為凸柱面時，該透光面可縮小矩形片光7的厚度。
[0023]當激光器發(fā)出的光束大小滿足鮑威爾棱鏡的進光要求時，本實用新型所述的激光片光光路可簡化為由圖1中的鮑威爾棱鏡2和柱面透鏡3組成。
[0024]本實用新型的實施例1的正視圖如圖3所示，由球面半徑為150mm、厚5mm的K9平凸球面透鏡I，直徑9mm、擴散角45°的Edmund鮑威爾棱鏡2,半徑80mm、厚30mm、長IlOmm的平凸柱面鏡3組成，平凸球面透鏡I與鮑威爾棱鏡2之間的距離為30mm，鮑威爾棱鏡2與平凸柱面透鏡3之間的距離為100mm。當直徑為2mm的激光束通過該光路時，將形成寬度為100mm、距平凸柱面透鏡10mm處厚度為0.4mm，寬度沿傳播方向基本一致，光強沿寬度均勻分布的矩形片光。
[0025]本實用新型的實施例2的正視圖如圖4所示，由球面半徑為150mm、厚5mm的K9平凸球面透鏡1，直徑9mm、擴散角75°的Edmund鮑威爾棱鏡2，出射透光面半徑310mm、厚170mm、長530mm的平凸柱面鏡3組成，平凸球面透鏡I與鮑威爾棱鏡2之間的距離為30mm，鮑威爾棱鏡2與平凸柱面透鏡3之間的距離為325mm。當直徑為2mm的激光束通過該光路時，將形成寬度為520mm、距平凸柱面透鏡10mm處厚度為2.4mm、寬度沿傳播方向基本一致、光強沿寬度均勻分布的矩形片光。
[0026]本實用新型的實施例3的俯視圖如圖5所示，由球面半徑為150mm、厚5mm的K9平凸球面透鏡1，直徑9mm、擴散角75°的Edmund鮑威爾棱鏡2，入射透光面半徑100mm、出射透光面半徑310mm、厚170臟、長530mm的雙凸柱面鏡3組成，平凸球面透鏡I與鮑威爾棱鏡2之間的距離為30mm，鮑威爾棱鏡2與平凸柱面透鏡3之間的距離為325mm。當直徑為2mm的激光束通過該光路時，將形成寬度為520mm、距平凸柱面透鏡10mm處厚度為0.4mm,寬度沿傳播方向基本一致，光強沿寬度均勻分布的矩形片光。
[0027]需要說明的是，激光是一種典型的高斯光束，光束通過透鏡時的變化規(guī)律近似滿足幾何光學中的折射定律。因此，本實用新型中所給出的實施例是實際片光光路效果的一種近似。
【權(quán)利要求】
1.一種激光片光光路，其特征在于，該光路主要由球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡組成，所述球面透鏡布置在激光器出光口處，鮑威爾棱鏡和柱面透鏡依次沿光束傳播方向布置在球面透鏡之后，球面透鏡、鮑威爾棱鏡和柱面透鏡的中心與激光光束的中軸同軸，三者之間的距離連續(xù)可調(diào)。
2.如權(quán)利要求1所述光路，其特征在于，所述球面透鏡的出射透光面為凸球面，入射透光面為平面或凸球面。
3.如權(quán)利要求1所述光路，其特征在于，所述鮑威爾棱鏡為入射透光面呈楔形、出射透光面為平面的標準光學劃線棱鏡。
4.如權(quán)利要求1所述光路，其特征在于，所述柱面透鏡的出射透光面為凸柱面，入射透光面為平面或凸柱面，當入射透光面為凸柱面時，其母線與出射透光面的母線相互垂直。
【文檔編號】G02B27/09GK204154994SQ201420615950
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】陳啟剛, 鐘強 申請人:北京江宜科技有限公司