CN101858788B - 干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法和装置，该方法是利用入射光波存在不同程度的离焦像差会导致干涉条纹产生逆时针或顺时针旋转的特性来测量入射球面波的波高。通过对光斑条纹采样的计算机后期处理，得到干涉条纹相对于水平条纹的旋转角度，以此推导出入射球面波所具有的正负波高。本发明原理可靠，光学系统结构简单，可以快速方便地给出定量的测量结果。

Description

干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星激光通信，特别是一种用于卫星激光通信的利用干涉楔板对发射终端发射的平面波在发射过程中是否由于离轴偏差产生球面波高并进行定量测量的一种方法和装置。当出射平面波存在离轴像差并由此产生球面波高时，干涉楔板上产生一定倾斜角度的条纹，通过对条纹倾角的处理，可得到相应的球面波高，从而可以比较方便地得到出射球面波离轴像差的定量描述。

背景技术

星间激光通信是以激光为传输媒介，在卫星之间建立光通信链路，实现数据传输的技术。由于星间激光通信技术的特殊性，其主要技术指标和运行性能不可能在空间信道内进行实地检测，必须在通信终端发射升空前对通信终端的技术指标和运行性能在地面实验室内进行模拟实验，完成对整个系统或分系统的检测和验证，这就需要在发展系统终端的同时预先建立相应的实验室地面检测验证平台。进行通信的两个卫星之间的距离很远，当发射端发射的光束到达接收端时，接收到的光波可看作是平面波。因此，在地面平台进行模拟时，入射到模拟装置上的光波也应该是平面波。但是由于在调节光路过程中不可避免地会引入调节误差，使得显微物镜和平行光管无法实现共焦，导致在平行光管前焦面入射的光波为球面波，该光波经平行光管出瞳后表现为具有一定波高的球面波。这一球面波入射到存在给定楔角的干涉平板后，其干涉条纹发生倾斜。随着离焦量的变化，条纹也发生角度上的偏转。根据这一特性，可以通过对条纹旋转角度的处理，可以得到出射球面波的波高。

入射光波平面度变差会导致楔板的干涉条纹产生偏转这一特性曾经被Rajpal S.Sirohi发现并提出[参见文献1.Rajpal S.Sirohi andMahendra P.Kothiyal.，Double wedge plate shearing interferometerfor collimation test，Applied Optics，Vol.26，No.19，4054-4056，1987]。在其研究工作中，将具有相同楔角的两个干涉平板按照相反的方向放置。当入射的光波平面度越来越差即球面波特性越来越明显时，两个干涉平板分别产生的干涉条纹会分别产生顺时针和逆时针的转动。研究人员通过这一现象表明采用这种方法可以将采用传统干涉方法对入射光波平面度变化进行测量的敏感程度提高两倍，但是这种敏感性只是用肉眼观测获得，且仅仅将该方法应用于对光波平面度变化敏感性的定性分析，并没有利用条纹角度的变化给出光波波高的定量描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法和装置。该方法和装置的原理可靠，结构简单，易于实现，能够轻易地给出射波前存在球面波高的定量描述。

本发明的技术解决方案如下：

一种干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法，特点在于该方法是利用增大或减小球面波的离焦像差会导致干涉楔板的干涉条纹产生一定角度的偏转的特性，通过测量干涉条纹偏转角度，根据下列公式计算球面波高：

$W_m=\frac{r_0^2}{2{\mathrm{ST}}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\mathrm{\λ}=\stackrel{\‾}{+}\left|\frac{r_0^2}{2{\mathrm{ST}}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\right|\mathrm{\λ}$

式中：T_y，bg为条纹周期，可通过公式计算得到，λ是激光波长，θ＝2nα，α为楔板(7)的楔角，n为楔板(7)的折射率，光斑半径r₀为入射光束直径的一半，为已知参量；β_read为条纹旋转的角度，S为观察屏上的干涉条纹的剪切量。

一种利用干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的装置，其特点在于该装置的构成包括具有楔角为α的楔板和观察屏，所述的楔板竖直地设置在待测的星间激光通信出射的平行光束的前方，该楔板的前平面与所述的平行光束的水平方向的夹角为45°，在所述的楔板的反射光方向设置观察屏。

所述的观察屏是一块毛玻璃。

本发明的技术效果：

本发明充分考虑到球面波入射到楔板上产生剪切干涉，产生的条纹主要来自两方面贡献，一是入射球面波的二次相位产生条纹，二是楔板自身楔角也会对入射光波产生背景条纹。当楔角方向为竖直放置时，改变离焦量会改变入射球面波的二次相位，在条纹上的变化表现为条纹发生一定角度的偏转。通过对干涉条纹角度进行计算，可以利用等位线方程从数学上反推出入射球面波的波高，从而为离焦像差提供数学上的定量描述。

和已有技术相比，本发明具有原理可靠，结构简单，可以给出定量的测量结果且易于实现的优点。

附图说明

图1为本发明利用干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法和装置的原理框图。

图中：1-激光器，2-激光器发射光束，3-显微物镜，4-滤波小孔，3和4组成空间滤波器，5-平行光管，6-平行光管的主镜，7-楔板，即带楔角的干涉平板，8-平行光束入射到楔板7前表面上的光斑，9-光束折射入楔板7内后在后表面上的光斑，10-光束从后表面反射到前表面上的光斑，11-光束从光斑8投射到观察屏14上的光斑，12-光束从光斑 10投射到观察屏14上的光斑，13-干涉条纹，14-观察屏。

图2是条纹旋转示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可知，本发明利用干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的装置，包括：

激光器1发射初始激光光束2，光束2入射到显微物镜3上，滤波小孔4放置在显微物镜3上的后焦面处，起到空间滤波的作用。显微物镜3和平行光管5的主镜6共焦，共焦位置即滤波小孔4所处的位置。光束经过平行光管5后，出射的是待测的星间激光通信出射的平行光束。装置1-6为产生平面波的光源装置，呈水平摆放。

本发明利用干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的装置，该装置的构成包括具有楔角为α的楔板7和观察屏14，所述的楔板7竖直地设置在待测的星间激光通信出射的平行光束的前方，该楔板7的前平面与所述的平行光束的水平方向的夹角为45°，在所述的楔板7的反射光方向设置观察屏14。

测量过程如下：

所述的平面波以45°方向入射到楔板7的前表面上，得到入射光斑8，其中楔板7以其楔角方向竖直向上的姿态放置。光束折射后进入楔板7内，到达楔板的后表面上得到光斑9。光束从楔板的后表面反射后到达楔板的前表面，得到光斑10。由于楔板的厚度和折射作用的影响，光斑10和光斑8存在一定的剪切关系，二者共同投射到观察屏14上，得到光斑12和光斑11，二者产生水平干涉条纹13。

在实际的测量过程中，显微物镜3和滤波小孔4是共同放置在一个平移装置上的。沿光路方向前后微调该平移装置，使显微物镜3和滤波小孔4能够共同沿光轴方向移动，使得从平行光管前焦面出发的光波产生正向或负向的离焦。离焦像差的引入导致平行光管原本出射的平面波变为具有二次相位的球面波，即产生一定的波高W_m。改变离焦量的大小，条纹13会发生角度上的旋转。旋转的幅度随离焦量大小的变化而变化，旋转的方向因离焦量的正负向而不同。将旋转后的条纹记录下后，用计算机进行处理，得到条纹偏离水平方向的角度，再根据该角度和相关的数学关系可以推导出入射到干涉楔板上的球面波的波高。

本发明的技术解决方案原理如下：

在方案实施中，楔角为α的楔板7竖直放置。当一束理想平面波(无球面波的二次项产生的波高)入射到一个有楔角的楔板7上，剪切后产生的重叠区域内存在多个条纹，这是由于楔板7本身存在楔角，导致经楔板内外表面反射后的两个光波之间存在相位差，产生干涉条纹。当是理想平面波入射，该条纹仅是由楔板7自身原因产生，因此称之为背景条纹；当一束经过离焦了的光波面(即存在球面波的二次项产生的波高，或正或负)入射到一个无楔角的平板上，剪切后产生的重叠区域内存在条纹。由于平板无楔角，则该条纹完全由入射的离焦波面贡献；当一束经过离焦了的光波面(即存在球面波的二次项产生的波高，或正或负)入射到一个有楔角的楔板上，则剪切后产生的重叠区域内存在条纹，该条纹由两部分贡献：一部分由入射的离焦球面波贡献，一部分由楔板自身产生的背景条纹贡献。

首先考虑入射球面波的二次相位的贡献。在该实施例中，剪切轴沿x方向，楔角方向沿y方向，即楔板的楔角方向为垂直放置。假定入射的球面波的存在二次相位为(球面波相对于平面波而言是一个球形的曲面，该曲面用下面的二次项表示)：

φ＝D·(x²+y²)

其中：

为离焦贡献。在小剪切近似情况下，剪切光束之间的相位差等于对上述二次相位φ对x分量求偏微分，即

$\mathrm{\Δ\φ}=2\mathrm{Dx\Δx}=2\left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{{2W}_m}{r_0^2}\right)\mathrm{xS}$

其中Δx＝S为剪切量。再次，楔板自身楔角的贡献表示为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{plate}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{\θx}+\mathrm{\θy})=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(2n{\mathrm{\α}}_{x}x+2n{\mathrm{\α}}_{y}y)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_x=\mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\α}}_y=\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

综合考虑二者的贡献，得到剪切光场条纹等位线的公式，这里对第一个贡献仅考虑入射光波二次相位在x方向上的偏微分：

$[\frac{2W_m}{r_0^2}S\±2n{\mathrm{\α}}_x]x\±2n{\mathrm{\α}}_{y}y=\mathrm{m\λ}$

其中的±分别对应于楔角方向的两个反向放置的方向。当楔角水平沿y放置时，±分别表示垂直向上和垂直向下，+表示楔角垂直向上，-表示楔角垂直向下。此时，楔角的贡献中没有x分量，仅有y分量，即α_x＝0，α_y＝α。此时，综合二者贡献后的剪切光场条纹公式为：

$\frac{2W_m}{r_0^2}S\·x\±\mathrm{\θ}\·y=\mathrm{m\λ}$

当楔角垂直偏置(沿y轴方向)时，楔角的贡献中没有x分量，仅有y分量，即α_x＝0，α_y＝α。此时，综合二者贡献后的剪切光场条纹公式为：

$\frac{2W_m}{r_0^2}S\·x\±\mathrm{\θ}\·y=\mathrm{m\λ}$

即此时的背景条纹等位线方程为：

在仅有背景条纹的情况下，由干涉测量知识可知，理想的平面波入射到楔角垂直偏置的光学干涉楔板上，其背景条纹为水平条纹，条纹周期为：

$T_{x,\mathrm{bg}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{n\α}}$

当入射光人为地产生离焦量，波面由平面波变为球面波，产生波高(或正或负)；随离焦量的变化，条纹发生顺时针或逆时针旋转；因此可以从倾斜条纹的倾斜角测量来计算被测量光束的波高。

由于条纹在变化过程中偏离了水平方向，产生了一个角度β。此时的干涉条纹公式为：

$I(x,y)=2+2\cos \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{2W_m}{r_0^2}\mathrm{Sx}\±\mathrm{\θy})\right]$

可以看出，条纹空间频率在y方向上的分量为

相应的条纹周期在y方向分量

而条纹空间频率在x方向上的分量为

相应的条纹周期在x方向分量可知：

${\tan \mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}=\frac{T_y}{T_x}=\frac{T_{y,\mathrm{bg}}}{\frac{{\mathrm{\λr}}_0^2}{2W_{m}S}}=\frac{2W_m{\mathrm{ST}}_{y,\mathrm{bg}}}{{\mathrm{\λr}}_0^2}$

则有

$W_m=\frac{r_0^2}{2{\mathrm{ST}}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\mathrm{\λ}=\stackrel{\‾}{+}\left|\frac{r_0^2}{2{\mathrm{ST}}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\right|\mathrm{\λ}$

上式中的条纹周期T_y，bg可通过公式

计算得到，光斑半径r₀为入射光束直径的一半，为已知参量。而条纹旋转的角度β_read和剪切量S的值则可通过照相机与计算机图像处理获取。首先，照相机对观察屏上的干涉条纹进行拍照，将照片存入计算机，通过图像处理软件读取某一倾斜条纹在计算机屏幕的水平和垂直方向上的像素数，进而获取该倾斜条纹的角度β_read，而剪切量S则可通过光斑内未干涉部分占光束直径的比例来计算得到，该比例同样可通过读取剪切部分横向上的像素数与全光斑直径方向上的像素数之比获得。因此，根据条纹旋转的角度β_read、条纹周期T_y，bg、光斑半径r₀和剪切量S等测量参数即可计算出入射球面波的波高。

在理论上的最佳理想情况下，获得最小可测量波高的条件为剪切量S＝r₀以及背景条纹宽度设计为T_y，bg＝2r₀-S＝S，因此理论上的最小可测量波高为：

$W_m\left(\min \right)=\stackrel{\‾}{+}\frac{\tan \mathrm{\β}}{2}\mathrm{\λ}$

这就是本发明的基本原理。

由于涉及到对显微物镜和滤波小孔的前后平移产生不同方向的离焦，导致观察的条纹旋转方向也不同，因此在本发明实施例中需要对条纹旋转方向和离焦方向给出定义。一般来说，定义沿光传输方向发散的发散球面波的曲率半径为“+”，沿光传输方向会聚的汇聚球面波的曲率半径为“-”。当显微物镜和平行光管共焦时，出射的光波为平面波，此时波高为0；当将显微物镜和小孔的共同平台沿光传输方向右移，则平行光管出射的波阵面具有正的波高，随离焦量在光传输方向上的不断增大，条纹逐渐变密并逆时针旋转；当将显微物镜和小孔的共同平台沿光传输方向左移，则平行光管出射的波阵面具有负的波高，随离焦量在光传输的反方向上的不断增大，条纹逐渐变密并顺时针旋转。

下面提供一个具体实施例的技术方案设计：

本实施例的设计，以楔角竖直向上放置的干涉楔板为模型。激光光源1采用波长为523nm的蓝绿激光，显微物镜3采用Newport公司的20倍物镜，滤波小孔4的口径为20μm。平行光管5的焦距为3m，其主镜6的尺寸为300mm。楔板7的楔角为1角秒，将楔板7的楔角竖直偏置，其前表面与光传输方向呈45°角，光斑11和12垂直正向入射到观察屏14上，确保光斑11和12的大小与平行光管主镜6的口径一致，均为300mm，剪切量为72.84mm。

首先调节显微物镜3和滤波小孔4，使显微物镜3和平行光管5实现共焦。判断是否共焦的标准是，由于楔板7自身在竖直方向上存在1角秒的楔角，因此当通过调节实现观察屏上的重叠区域13内仅有1个条纹时，该条纹为背景条纹，即此时的出射光波对条纹无贡献，可认为此时的出射光波为平面波，即显微物镜3和平行光管实现共焦。

当实现共焦后，微调平移台使显微物镜3和滤波小孔4沿着光传输方向相对于固定的平行光管5同时向前移动，步进距离为350μm。在平行光管主镜6的出射端产生正波高的球面波，随着离焦距离的增大，条纹13产生逆时针旋转。

对条纹旋转的角度进行图像采样和计算机处理后，得到不同正离焦距离下的球面波波高。

再次调节平移台使系统回到共焦状态。微调平移台使显微物镜3和滤波小孔4沿着光传输的相反方向相对于固定的平行光管5同时向后移动，步进距离仍为350μm。在平行光管主镜6的出射端产生负波高的球面波，随着离焦距离的增大，条纹13产生逆时针旋转。

对条纹旋转的角度进行图像采样和计算机处理后，得到不同负离焦距离下的球面波波高。

计算结果显示，本发明采用观察干涉楔板干涉条纹偏转角度的方法来获取相应的卫星激光通信中发射球面波的波高，从而可以比较方便地得到入射球面波离轴像差的定量描述。

Claims (2)

1.一种干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的方法，特征在于该方法是利用增大或减小球面波的离焦像差会导致干涉楔板的干涉条纹产生一定角度的偏转的特性，通过测量干涉条纹偏转的角度，根据下列公式计算待测的星间激光通信出射光波球面波高：

$W_m=\frac{r_0^2}{2S{T}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\mathrm{\λ}=\stackrel{\‾}{+}\left|\frac{r_0^2}{2S{T}_{y,\mathrm{bg}}}\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{read}}\right|\mathrm{\λ}$

式中：T_y，bg为干涉条纹周期，可通过公式

计算得到，λ是激光波长，θ＝2nα，α为楔板(7)的楔角，n为楔板(7)的折射率，光斑半径r₀为入射光束直径的一半，为已知参量；β_read为干涉条纹偏转的角度，S为观察屏上的干涉条纹的剪切量。

2.一种干涉楔板测量星间激光通信出射光波波高的装置，其特点在于该装置的构成包括具有楔角为α的楔板(7)和观察屏(14)，所述的楔板(7)竖直地设置在待测的星间激光通信出射的平行光束的前方，该楔板(7)的前平面与所述的平行光束的水平方向的夹角为45°，在所述的楔板(7)的反射光方向设置观察屏(14)。

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