[实用新型]一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及粒子场脉冲激光全息测量领域，具体涉及一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统。

背景技术

粒子场脉冲激光全息测量(简称“粒子场全息测量”)是利用脉冲激光全息成像方法对某种机制产生的大量微小粒子(例如，雾化水滴、油滴、爆轰颗粒、微小浮游生物和粉尘等)的空间分布、粒径以及速度等参数进行定量化测量的一项技术，它是目前激光全息的一大应用领域。

粒子场全息测量的记录方式包含同轴和离轴两种，具体光路如图1和图2所示。同轴记录使用扩束准直后的激光束照射粒子场，粒子的衍射光作为物光，未被衍射的直通光作为参考光，物光和参考光同时经过4F光学成像系统，照射到全息干板上。整个记录光路只有一条光轴，比较简单，适用于测量数密度较低的粒子场。如果粒子场的数密度较大，直通光大量减少，需要采用离轴方式进行记录。离轴记录方式中，首先将激光光束分成两束，分别进行扩束准直，其中一束照射粒子场，粒子的衍射光经过4F光学成像系统，作为物光照射到全息干板上，另一束作为参考光经全反射镜反射后照射到全息干板上。物光与参考光的夹角一般在30°左右，两者的光强比在1:2～1:4范围内。同时，物光与参考光的光程差小于激光光源的相干长度。

由于粒子场中粒子直径在微米量级，对应的夫琅和费远场距很小(毫米～厘米量级)。同时，形成的粒子场特别是高速运动的粒子场会对全息干板造成干扰或破坏，影响全息图记录。若要克服上述两个问题，同轴和离轴记录方式中均需使用4F光学成像系统将粒子场成像到全息干板前表面之后的附近区域进行全息记录。另外，为了保证全息再现过程中粒子场的再现像不发生畸变，经过4F光学成像系统的物光光轴要与全息干板垂直。

粒子场全息测量的一般再现光路：对全息干板进行再现时，为了得到无畸变的准确实像，再现光必须使用全息记录时参考光的共轭光照明全息干板，此时全息干板的乳胶面需要背向光源。粒子场全息测量分为同轴和离轴两种记录方式，再现光路也分为同轴和离轴两种。

一.同轴再现光路。图3是最常用的一种同轴全息再现光路。再现光源采用单模连续激光器，波长与全息记录时所用的脉冲激光器波长相同。扩束镜采用显微物镜，综合考虑准直镜的口径及焦距来确定扩束镜的放大倍率。准直镜采用消像差透镜，根据干板尺寸来确定其扩束口径。准直后的平行光作为再现光垂直入射到全息干板上，衍射场的光轴(即再现粒子场的光轴)与再现光的光轴重合。三维移动平台的三个轴组成整体且相互垂直，从上往下依次是y轴、x轴和z轴。成像物镜采用消像差的小景深透镜组，具有一定的放大倍率，图像采集相机采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机。再现采集时，再现粒子场位于成像物镜前工作面附近，采集相机的灵敏面与成像物镜的后工作面重合后，它们之间的间隔固定不变。控制三维移动平台，移动全息干板的位置，使再现粒子场以“逐层分幅”方式成像到采集相机的灵敏面上，从而实现对再现粒子场的采集。

布置同轴再现光路时，先利用细激光束从后向前逐一校准各个光学元件的光轴。由于再现光必须垂直于全息干板，所以要求移动平台的z轴在移动过程中要始终平行于再现光的光轴，因此，在光路布放时需要对三维移动平台进行反复地调校。

二.离轴再现光路。图4是一种常用的离轴全息再现光路，各光学元件的要求与同轴再现光路相同。再现采集时，再现光沿全息记录时参考光的共轭方向入射到全息干板上，衍射场的光轴与再现光的光轴所夹锐角即全息记录时物光和参考光的夹角。

对再现粒子场进行采集时，需要用到“分层分幅”的采集方式，见文献3[罗振雄，粒子场全息图的再现和图像处理技术研究[D]，绵阳:中国工程物理研究院，2005:20-34]。全息干板在三维移动平台控制下，按图5所示顺序移动，使采集相机对再现的三维粒子场沿垂直于衍射场光轴的每个层面上进行分幅采集，沿衍射场光轴方向进行分层切片采集。分幅采集时，相邻两幅图像之间有一定的重叠区域，用于图像拼接，拼接后形成一个层面的整幅图像；分层切片采集时，需要根据粒子尺寸设置一定的分层采集间隔，从而实现对同一纵列不同层面切片图像的处理和对比，完成再现粒子像在焦定位的目的。

由上述描述可知，现有的粒子场一般再现光路存在以下问题：