平面激光誘導熒光實驗中激勵激光的光束整形

張振榮，王 晟，李國華，趙新艷，葉景峰，胡志云，葉錫生

（西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西西安710024）

平面激光誘導熒光實驗中激勵激光的光束整形

張振榮，王 晟，李國華，趙新艷，葉景峰，胡志云*，葉錫生

（西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西西安710024）

分析了激勵激光光強分布對平面激光誘導熒光（PLIF）實驗中熒光強度的影響。基于柱面微透鏡列陣設計了一套激光片狀光束勻滑整形系統，并根據PLIF實驗的具體要求，通過光線追跡方法優化了系統參數。建立了片狀光束整形實驗系統，對染料激光進行了勻滑整形，獲得了不均勻性＜4%的均勻片狀光束，滿足了PLIF實驗所需。在此基礎上建立了PLIF實驗系統，獲得了酒精燈火焰和CH4/air預混火焰中OH的二維熒光分布。

光束整形；平面激光誘導熒光；柱面微透鏡列陣；片狀光束

1 引 言

作為燃燒流場激光診斷技術的主要分支之一，平面激光誘導熒光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）技術能夠實現燃燒流場參數的二維可視測量，獲得豐富而直觀的信息，是燃燒流場診斷的一個強有力工具［1-5］。根據熒光光譜理論分析可知，要通過二維熒光強度分布獲得所需的組分濃度或燃燒場溫度信息，必須消除熒光信號中激光強度及其分布的影響，因此，準確獲得激勵激光的光強分布十分重要。目前，在PLIF實驗中，通常采用柱面透鏡組將激勵激光整形為片狀光束，但不做專門的勻滑處理。為了滿足定量測量的需要，常常在實驗系統中建立參考光路，監測激勵激光的光強分布。具體的做法是在激勵激光的光路上分出一束監測光，使其入射到充滿某種熒光物質的腔室內，并用相機監測相應的熒光強度分布，再根據熒光強度與激光強度的關系計算出激光片的光強分布。這種方法等于在實驗系統中附加了一套PLIF診斷系統，不僅使系統變得更加昂貴，同時也增加了診斷系統的復雜性。如果事先通過光束勻滑，將激勵激光整形為強度分布均勻的片狀光束，無疑能夠在有效簡化實驗系統的同時提高測試精度。

目前，在激光與物質相互作用的許多領域，都需要對激光光束進行勻滑整形，但不同的應用領域對勻滑整形效果的要求各不相同，所采用的整形技術也會有較大差異。為了滿足各種需求，人們提出了多種光束空間勻滑整形技術［6-10］，如：隨機相位板法、列陣透鏡法、偏振光控制板等。

這些技術為開展PLIF技術激勵激光光束勻滑整形提供了很好的借鑒，但還需要針對PLIF技術的特殊要求開展相應的技術研究工作。對于PLIF技術而言，要求激勵激光在探測區域較大空間尺度內形成二維光強均勻分布和很薄的片狀光束。本文主要針對燃燒流場參數的二維可視定量測量，開展了滿足PLIF技術需求的片狀激光光束勻滑整形技術研究。建立了片狀光束勻滑整形系統，針對PLIF技術的激光光源，獲得了均勻的二維片狀激光光束，滿足了實驗所需。

2 激勵激光強度分布對熒光信號的影響

處于基態的分子通過共振吸收相應能量的光子以后，躍遷至激發態，然后在向下躍遷的同時輻射熒光。當激勵激光較弱時，熒光信號強度與激勵激光的光強成線性關系，實驗中由ICCD相機拍攝得到的熒光圖像包含了激勵激光的二維分布信息，要想獲得實際的熒光強度分布，需要消除激勵激光光強分布的影響：

式中：S′（x，y）表示實驗中由相機獲得的熒光強度分布;S（x，y）為對激勵激光光強分布進行歸一化后的熒光強度分布;I（x，y）表示激勵激光片狀光束的二維光強分布。由于在實驗中實時準確獲得激勵激光的二維光強分布較為困難，所以，實驗中往往難以消除光強分布不均的激勵激光對熒光強度分布的影響。

另外，式（1）成立的前提是激勵激光功率較小，處于線性激勵范圍，當激光強度功率增加到一定程度后，會出現飽和現象，此時熒光強度對激光強度的依賴關系變得非常復雜。對于光強分布均勻性較差的激勵激光，會出現激光強度較弱的區域為線性激勵而激光強度較強的區域卻處于飽和激勵，此時，消除激光強度分布的影響將變得非常困難。

3 光束整形系統設計與實驗

為了滿足PLIF實驗對激勵激光的特殊要求，設計了激勵激光整形系統，如圖1所示。該系統主要由柱面微透鏡列陣（CLA）、兩塊軸線相互正交的柱面透鏡（CL1、CL2）組成，其中CLA由N個相同參數的微柱面透鏡組成，每個微柱面透鏡的寬度為d，焦距為f。入射激光束通過柱透鏡列陣后，在Z方向被分割成N個子光束，每個子光束經各自的透鏡聚焦后再發散，然后全部輻照探測空間中的同一區域，即各子光束在傳播過程中會彼此重合疊加在一起。當對入射光束的分割足夠細時，每一個子束的光強分布可視為均勻的，這些均勻的子光束相互重疊輻照到同一空間區域，就可使入射光束近場分布的不均勻性相互平均補償，得到接近平頂分布的矩形光斑。柱面透鏡CL1主要用于沿Y方向對光束進行壓縮，產生滿足PLIF技術所需的薄片激光束;CL2主要用于在X方向對光束進行準直;CL1和CL2的焦距分別為f1、f2。

圖1 光束勻滑整形系統示意圖Fig.1 Optical system diagram for beam shaping and homogenization

勻滑后片狀光束的寬度D為：

所以，要想獲得合適大小的片狀激光束，需要合理設計柱面微透鏡的焦距、微透鏡寬度以及柱面透鏡CL2的焦距。

由于只是對激光束沿Z方向進行了勻滑整形，而沒有改變光束沿Y方向的特性，所以，上述系統中形成的片狀光束的厚度與不進行勻滑處理產生的片狀光束的厚度相同，位于CL1焦線處片狀光束的厚度為：

式中，θ為激勵激光的發散角。為了在焦線附近一定距離內基本保持片狀光束厚度與焦線處的厚度接近，應使CL1具有較長的焦距。

為了分析該設計的勻滑效果，并優化各種設計參數，對上述系統采用光線追跡技術進行了數值計算。分析了微透鏡數量、各個透鏡的焦距等設計參數對勻滑效果的影響。并結合實際實驗中激光的相干特性、光束直徑、所需片狀激光光束的尺寸、光學加工難度等因素確定了最佳設計參數。圖2所示為在各種參數優化后計算得到的典型光強分布。以高斯圓光斑為例，理論計算得到的片狀光束不均勻性＜3%，光束能量利用率＞90%，滿足了實驗所需。

圖2 設計參數優化后計算得到的光強分布Fig.2 Calculated intensity distribution after optimization of design parameters

實際用于PLIF實驗的激勵激光為倍頻后的染料激光，該激光光束典型的近場分布如圖3所示，光束直徑約為5 mm。由于染料激光器放大級的結構、染料濃度以及泵浦激光的均勻性等因素，導致輸出的激光光束的光強分布較差。將這種激光直接整形為片狀光束，其光強分布如圖4所示，可見未對激光光束進行勻滑處理時，整形后片狀光束的光強分布反映了原始光束中的不均勻性，所獲得的片狀光束光強分布均勻性非常差。

圖3 激勵激光原始光束Fig.3 Beam distribution of dye laser

PLIF定量測量一般要求激勵激光光束在整個測量區域內的均勻性優于95%，測量區域尺寸大于50 mm×50 mm，激光片厚度為0.5 mm。基于這些實驗要求及數值分析結果，確定了用于片狀光束勻滑整形的主要器件的參數：柱面微透鏡列陣中單個柱面透鏡的厚度為0.5 mm;實際使用的微透鏡數量為10個;柱面微透鏡的焦距為50 mm;準直柱面透鏡的焦距為0.5 m;壓縮用柱面透鏡的焦距為1 m。

圖4 未勻滑片狀光束光強分布Fig.4 Intensity distribution of laser sheetwithout beam smoothing

采用上述光束勻滑系統對激勵激光勻滑后，獲得的片狀激光光強分布如圖5所示。比較圖5與圖4可以看出，激光片的光強分布明顯改善。

圖5 勻滑后片狀光束光強分布Fig.5 Intensity distribution of laser sheet with beam smoothing

采用均方根（RMS）方法對光束頂部的不均勻性進行定量評價：

4 熒光圖像測量

在實現光束勻滑的基礎上，建立了一套PLIF實驗測量系統，并測量了酒精燈、CH4/air預混火焰中OH的二維熒光圖像。為了對比勻滑前后激勵激光光強分布對熒光強度分布的影響，針對酒精燈火焰，分別采用了未勻滑片狀激光和勻滑后片狀激光進行激勵，獲得了相應的二維熒光強度分布，如圖6所示。其中圖6（a）為未勻滑激光激勵產生的二維熒光強度分布，圖6（b）為勻滑后激勵激光產生的二維熒光強度分布。比較兩幅熒光圖像可以明顯看出激勵激光光強分布對熒光強度分布的影響，即只有當激勵激光光強分布均勻時，所獲得的熒光圖像才能夠代表真實的熒光強度分布。

圖6 酒精燈火焰熒光圖像Fig.6 Fluorescence image of alcohol flame

圖7為在CH4/air火焰中獲得的OH熒光圖像，圖8為火焰中心熒光強度隨火焰高度的變化曲線。由于消除了激勵激光光強分布的影響，從而獲得了真實的熒光強度分布，為計算火焰中的OH濃度分布提供了可靠的實驗數據。對圖8中OH密度隨火焰高度的衰減曲線進行擬合，能夠

圖7 CH4/air預混火焰中的OH熒光圖像Fig.7 Fluorescence image of OH in CH4/air premixed flame

獲得CH4/air預混火焰中心沿高度方向OH的密度分布規律。擬合結果表明：OH主要集中在火焰底部并隨高度的增加按照指數規律衰減。

圖8 火焰中心熒光強度隨火焰高度變化曲線Fig.8 Fluorescence intensity change with flame center height

5 結 論

在PLIF實驗中，激勵激光光強分布對實驗結果影響較大，要獲得真實可靠的熒光圖像，需要消除激勵激光光強分布的影響。對激勵激光進行勻滑整形，產生均勻分布的二維片狀激光束是其中的最佳方法。本文在數值計算、器件參數優化的基礎上，建立了光束勻滑系統，該系統能夠對PLIF實驗所用染料激光光束進行勻滑整形，片狀光束的不均勻性＜4%，滿足了PLIF實驗所需。利用勻滑后的激光激勵介質獲得的二維熒光圖像反映了實際的熒光強度分布，能夠為獲得燃燒場中OH的分布規律，進而為燃燒機理等研究提供更為可靠的實驗數據。

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Exciting laser beam shaping in planar laser-induced fluorescence experiment

ZHANG Zhen-rong，WANG Sheng，LIGuo-hua，ZHAO Xin-yan，YE Jing-feng，HU Zhi-yun*，YE Xi-sheng
（State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China）

，E-mail：ninthzy@163.com

Influence of exciting laser sheet intensity distribution on the fluorescence intensity distribution in a Planar Laser-induced Fluorescence（PLIF）experimentwas analyzed.Based on cylindrical lens array，a laser sheet shaping system was designed.According to the requirement of PLIF，several parameterswere optimized with ray tracingmethod.The laser beam shaping experiment system was established and applied to the PLIF experiment for dye laser beam shaping and acquiring smoothing laser sheetwith the nonuniformity nomore than 4%.With the uniformity laser sheet beam，PLIF was applied to themeasurement of fluorescence imaging of OH in alcohol flame and CH4/air premixed combustion.

beam shaping;Planar Laser-induced Fluorescence（PLIF）;cylindrical lens array;laser sheet

TN241

A

10.3788/CO.20130603.0359

張振榮（1974—），男，陜西蒲城人，碩士，副研究員，1997年于西北工業大學獲得學士學位，2004年于西北核技術研究所獲得碩士學位，主要從事激光技術及應用方面的研究。E-mail：nintzzr@ 163.com

王 晟（1977—），男，山東乳山人，碩士，工程師，1999年于天津大學獲得學士學位，2008年于西北核技術研究所獲得碩士學位，主要從事激光技術及應用方面的研究。E-mail：pplunum1@163. com

李國華（1985—），男，甘肅武威人，碩士，工程師，2007年于國防科學技術大學獲得學士學位，2010年于國防科學技術大學獲得碩士學位，主要從事激光光譜技術方面的研究。E-mail：liguohua@ 163.com

趙新艷（1980—），女，新疆昌吉人，碩士，助理研究員，2003年于吉林大學獲得學士學位，2006年于西北核技術研究所獲得碩士學位，主要從事激光技術及應用方面的研究。E-mail：joyce200zh@ sohu.com

葉景峰（1979—），男，河南西平人，碩士，助理研究員，2001年于國防科技大學獲得學士學位，2004年于國防科技大學獲得碩士學位，主要從事激光技術及應用方面的研究。E-mail：leafey1979@ 163.com

胡志云（1969—），男，河南人，博士研究生，高級工程師，1993年于哈爾濱工業大學獲得學士學位，1999年于西北核技術研究所獲得碩士學位，主要從事激光技術及應用方面的研究。E-mail：ninthzy@163.com

葉錫生（1967—），男，江蘇人，博士，研究員，1989年于浙江大學獲得學士學位，1997年于浙江大學獲得博士學位，主要從事激光與物質相互作用方面的研究。E-mail：yxschx@yeah.net

1674-2915（2013）03-0359-06

2013-02-12；

2013-03-16

激光與物質相互作用國家重點實驗室基金資助項目（No.SKLLIM1009-02）