[實用新型]一種粒子場全息同軸和離軸再現光路系統

有效

• 申請號: 201721091715.8
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN207281477U
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 徐青;曹娜;雷嵐;馬繼明;韓長材
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: G03H1/22
• 分類號: G03H1/22
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 楊引雪

技術領域

本實用新型涉及粒子場脈沖激光全息測量領域，具體涉及一種粒子場全息同軸和離軸再現光路系統。

背景技術

粒子場脈沖激光全息測量(簡稱“粒子場全息測量”)是利用脈沖激光全息成像方法對某種機制產生的大量微小粒子(例如，霧化水滴、油滴、爆轟顆粒、微小浮游生物和粉塵等)的空間分布、粒徑以及速度等參數進行定量化測量的一項技術，它是目前激光全息的一大應用領域。

粒子場全息測量的記錄方式包含同軸和離軸兩種，具體光路如圖1和圖2所示。同軸記錄使用擴束準直后的激光束照射粒子場，粒子的衍射光作為物光，未被衍射的直通光作為參考光，物光和參考光同時經過4F光學成像系統，照射到全息干板上。整個記錄光路只有一條光軸，比較簡單，適用于測量數密度較低的粒子場。如果粒子場的數密度較大，直通光大量減少，需要采用離軸方式進行記錄。離軸記錄方式中，首先將激光光束分成兩束，分別進行擴束準直，其中一束照射粒子場，粒子的衍射光經過4F光學成像系統，作為物光照射到全息干板上，另一束作為參考光經全反射鏡反射后照射到全息干板上。物光與參考光的夾角一般在30°左右，兩者的光強比在1:2～1:4范圍內。同時，物光與參考光的光程差小于激光光源的相干長度。

由于粒子場中粒子直徑在微米量級，對應的夫瑯和費遠場距很小(毫米～厘米量級)。同時，形成的粒子場特別是高速運動的粒子場會對全息干板造成干擾或破壞，影響全息圖記錄。若要克服上述兩個問題，同軸和離軸記錄方式中均需使用4F光學成像系統將粒子場成像到全息干板前表面之后的附近區域進行全息記錄。另外，為了保證全息再現過程中粒子場的再現像不發生畸變，經過4F光學成像系統的物光光軸要與全息干板垂直。

粒子場全息測量的一般再現光路：對全息干板進行再現時，為了得到無畸變的準確實像，再現光必須使用全息記錄時參考光的共軛光照明全息干板，此時全息干板的乳膠面需要背向光源。粒子場全息測量分為同軸和離軸兩種記錄方式，再現光路也分為同軸和離軸兩種。

一.同軸再現光路。圖3是最常用的一種同軸全息再現光路。再現光源采用單模連續激光器，波長與全息記錄時所用的脈沖激光器波長相同。擴束鏡采用顯微物鏡，綜合考慮準直鏡的口徑及焦距來確定擴束鏡的放大倍率。準直鏡采用消像差透鏡，根據干板尺寸來確定其擴束口徑。準直后的平行光作為再現光垂直入射到全息干板上，衍射場的光軸(即再現粒子場的光軸)與再現光的光軸重合。三維移動平臺的三個軸組成整體且相互垂直，從上往下依次是y軸、x軸和z軸。成像物鏡采用消像差的小景深透鏡組，具有一定的放大倍率，圖像采集相機采用高分辨、低噪聲的科學級CCD相機。再現采集時，再現粒子場位于成像物鏡前工作面附近，采集相機的靈敏面與成像物鏡的后工作面重合后，它們之間的間隔固定不變。控制三維移動平臺，移動全息干板的位置，使再現粒子場以“逐層分幅”方式成像到采集相機的靈敏面上，從而實現對再現粒子場的采集。

布置同軸再現光路時，先利用細激光束從后向前逐一校準各個光學元件的光軸。由于再現光必須垂直于全息干板，所以要求移動平臺的z軸在移動過程中要始終平行于再現光的光軸，因此，在光路布放時需要對三維移動平臺進行反復地調校。

二.離軸再現光路。圖4是一種常用的離軸全息再現光路，各光學元件的要求與同軸再現光路相同。再現采集時，再現光沿全息記錄時參考光的共軛方向入射到全息干板上，衍射場的光軸與再現光的光軸所夾銳角即全息記錄時物光和參考光的夾角。

對再現粒子場進行采集時，需要用到“分層分幅”的采集方式，見文獻3[羅振雄，粒子場全息圖的再現和圖像處理技術研究[D]，綿陽:中國工程物理研究院，2005:20-34]。全息干板在三維移動平臺控制下，按圖5所示順序移動，使采集相機對再現的三維粒子場沿垂直于衍射場光軸的每個層面上進行分幅采集，沿衍射場光軸方向進行分層切片采集。分幅采集時，相鄰兩幅圖像之間有一定的重疊區域，用于圖像拼接，拼接后形成一個層面的整幅圖像；分層切片采集時，需要根據粒子尺寸設置一定的分層采集間隔，從而實現對同一縱列不同層面切片圖像的處理和對比，完成再現粒子像在焦定位的目的。

由上述描述可知，現有的粒子場一般再現光路存在以下問題：