CN105223698B - 一种基于阵列光束的赝热光源 - Google Patents

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Abstract

一种基于阵列光束的赝热光源，包括脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤束阵列及扩束准直器，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤束阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器由所述射频驱动电源驱动；脉冲激光器发出的激光被所述光纤耦合器分成多束相干光后，传输至所述电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大后，经所述光纤束阵列及所述扩束准直器后输出。本发明的赝热光源可以解决现有赝热光源存在的输出功率不高、强度起伏速率低的问题，实现高亮度、快速时变的效果。

Description

一种基于阵列光束的赝热光源
技术领域
本发明涉及热光场及光学系统，特别涉及一种赝热光源的产生装置。
背景技术
由于具有光强关联特性和较好的大气传输特性，人为调控产生的赝热光在光学关联成像、激光目标探测与无线光通信等领域有着广泛应用价值。在可见光和近红外波段，现有的赝热光主要有基于旋转毛玻璃和液晶光阀两大类产生方式。最早的赝热光是由Martienssen和Spiller在1964年设计发明的，它由连续激光通过旋转毛玻璃产生，缺点是不满足热光的交叉谱纯条件。
为解决这一问题，公告号为CN100514011C的中国发明专利公开了一种高亮度脉冲式赝热光源，包括脉冲式激光器，扩束准直系统、针孔滤波器、可调孔径光阑、毛玻璃盘和调速电机，脉冲式激光器、扩束准直系统、针孔滤波器和可调孔径光阑同光轴，针孔滤波器置于扩束准直系统的望远镜的焦平面，脉冲式激光器输出的激光最后照射在由调速电机驱转的毛玻璃盘上，形成的动态散斑场。该赝热光源的赝热光场的热涨落，能被有限通频带的光电探测系统真实记录，且不受所使用光电探测系统通频带的影响，满足真实热光场的交叉谱纯度条件。但由于仍采用旋转毛玻璃，上述赝热光源存在实际应用不便、可重复性差等不足。
公告号为CN101839763B的中国发明专利公开了一种基于液晶光阀调制方式的高亮度可控赝热光源，其包括脉冲式激光器、可调扩束准直系统、起偏器、第一检偏器、可调孔径光阑、液晶光阀、第二检偏器、液晶光阀控制系统。其中，脉冲式激光器、可调扩束准直系统、起偏器、第一检偏器、可调孔径光阑位于同一光轴上，光轴位于液晶光阀的入射光光轴上，另一片第二检偏器位于与所述入射光光轴相对应的液晶光阀反射光光轴上。激光器输出的激光最后照射在由液晶光阀控制系统控制的液晶光阀上，通过控制液晶光阀，得到动态的散斑场。
公开号为CN103256503B的中国发明专利公开了一种寻址式高速赝热光源，其包括脉冲式激光器，控制器，随机相位板，电控二维转台和阵列探测器，电控二维转台驱动随机相位板以预定路径扫描，控制器控制脉冲式激光器发出激光脉冲的时刻，激光脉冲照射到随机相位板预定扫描区域，发出的激光散斑序列与预定扫描区域一一对应。
前述几种赝热光源虽然在一定程度上满足了热光的交叉谱纯条件，但仍存在以下局限：输出功率较低，限制了远距离传输背景下的应用；强度起伏速率低，可调控范围小；受限于其空间光学结构，可集成性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高亮度、快速时变的赝热光源，可以解决现有赝热光源存在的输出功率不高、强度起伏速率低的问题。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于阵列光束的赝热光源，包括：脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤束阵列及扩束准直器，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤束阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器由所述射频驱动电源驱动；脉冲激光器发出的激光被所述光纤耦合器分成多束相干光后，传输至所述电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大后，经所述光纤束阵列及所述扩束准直器后输出。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述脉冲激光器输出的激光被所述光纤耦合器分为至少10束相干光。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述光纤束阵列由剥去外保护层的单模裸光纤集束而成。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述光纤束阵列由单模裸纤排布形成双圆环形阵列。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述单根裸纤模场直径为5微米。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述脉冲激光器采用可见光或近红外脉冲光纤激光器。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述电光相位调制器为LiNbO3相位调制器。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述光纤放大器为有源放大器。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述射频驱动电源输出电压的最大值和最小值分别对应所述电光相位调制器的正负半波电压。
作为本发明基于阵列光束的赝热光源的一种改进，所述脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与所述射频驱动电源输出信号的变化频率一致。
由以上技术方案可知，本发明采用光纤耦合器及光纤束阵列以多光束合成的方式，结合光纤放大器，以提高输出的赝热光源亮度，而且各器件间采用全光纤连接，克服受限于空间结构的问题，采用高速率电光相位调制器，理论上光场时变速率可达吉赫兹，本发明的赝热光源满足交叉谱纯条件，可重复性好。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为双圆环形光纤阵列的示意图；
图3为本发明实施例产生的散斑场强度空间分布图；
图4为本发明实施例的强度关联系数图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明的赝热光源包括脉冲激光器1、光纤耦合器2、电光相位调制器4、射频驱动电源5、光纤放大器6、光纤束阵列7以及扩束准直器8，其中，脉冲激光器1、光纤耦合器2、电光相位调制器4、光纤放大器6及光纤束阵列7通过单模光纤3依次相连。
脉冲激光器1输出的激光被光纤耦合器2分为N束相干光后沿单模光纤3传输，为了保证关联系数不小于1.9，N至少为10。电光相位调制器4为高速率电光调制器，电光相位调制器4由射频驱动电源5驱动，被光纤耦合器2分成若干束的相干光沿单模光纤3传输至电光相位调制器4后，利用由射频驱动电源5驱动的电光相位调制器4实现N个相干光束的快速时变随机相位调制，射频驱动电源5输出电压的最大值和最小值分别对应电光相位调制器的正负半波电压，调制后的N束相干光传输至光纤放大器6，由光纤放大器6对每束光进行功率放大后传输至光纤束阵列7，光束经由光纤束阵列7空间辐射叠加形成快速时变的散斑场，最后经扩束准直器8输出。
本发明的光纤束阵列7由剥去外保护层的裸光纤集束而成，光纤束阵列可根据输出光场的需要选择合适的排布方式，如圆环形阵列、均匀方形阵列等。如图2所示，本实施例的光纤束阵列由32根单模裸纤排布形成双圆环形阵列，单根裸纤模场直径为5微米。此外，也可以采用微电子气相沉积生长形成的三维波导阵列代替光纤束阵列。
本发明的脉冲激光器1采用可见光或近红外激光器，如波长为1064nm或1310nm或1550nm的脉冲激光器，脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变化频率一致。本实施例的脉冲激光器1采用波长为1550nm的脉冲光纤激光器，电光相位调制器4采用Photeline公司的LiNbO3相位调制器，其最大调制速率10吉赫兹(GHz)，半波电压＜10V，近红外脉冲激光器输出的激光被光纤耦合器被分为32束相干光传输至电光相位调制器后，射频驱动电源输出快速时变的32路相互独立的随机电压信号至电光相位调制器，输出电压范围-10～10V，通过电光相位调制器对32个光束进行随机相位调制，接着光束通过光纤放大器6进行放大，本实施例中光纤放大器采用Thorlab公司的掺铒有源放大器(EDFA)，最后经过光纤束阵列及扩束准直器输出。
如图3和图4所示，图3和图4分别为本发明实施例产生的散斑场强度空间分布图(即进行一次相位调制产生的散斑)与强度关联系数图，由图3和图4可以看出，本发明产生的赝热光散斑强度分布具有高的对比度，强度关联系数值非常接近2，赝热光源满足交叉谱纯条件，无机械运动部件，可重复性好，具有热光场的所有统计特性。与现有技术的赝热光源相比，本发明的赝热光源存在以下优点：
(1)高亮度，由于输出功率不仅与激光器输出光脉冲功率有关，还取决于合成的光束个数以及光纤放大器的输出，本发明采用多光束合成方式和光纤放大器，相比现有赝热光源可大大提高输出的赝热光源亮度；
(2)快速时变，输出光场强度起伏速率取决于相位调制速率，本发明采用高速率电光相位调制器，理论上光场时变速率可达吉赫兹(GHz)；
(3)可集成性高，本发明各器件间采用全光纤连接，克服空间结构的不足，系统可集成性高于现有系统。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于阵列光束的赝热光源，其特征在于，包括：脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、射频驱动电源、光纤放大器、光纤束阵列及扩束准直器，其中，所述脉冲激光器、光纤耦合器、电光相位调制器、光纤放大器及光纤束阵列通过单模光纤依次相连，所述电光相位调制器由所述射频驱动电源驱动；
脉冲激光器发出的激光被所述光纤耦合器分成多束相干光后，传输至所述电光相位调制器进行随机相位调制，然后传输至所述光纤放大器进行功率放大后，经所述光纤束阵列及所述扩束准直器后输出；所述脉冲激光器输出的激光被所述光纤耦合器分为至少10束相干光，所述光纤束阵列由多根单模裸纤排布形成同心的双圆环形阵列，圆环形阵列中的单模裸纤沿圆周连续相邻设置，单模裸纤的数量与被光纤耦合器分束的相干光的数量相同，所述光纤束阵列由剥去外保护层的单模裸光纤集束而成，单根裸光纤模场直径为5微米。
2.根据权利要求1所述的基于阵列光束的赝热光源，其特征在于：所述脉冲激光器采用可见光或近红外脉冲光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于阵列光束的赝热光源，其特征在于：所述电光相位调制器为LiNbO3相位调制器。
4.根据权利要求1所述的基于阵列光束的赝热光源，其特征在于：所述光纤放大器为有源放大器。
5.根据权利要求1所述的基于阵列光束的赝热光源，其特征在于：所述射频驱动电源输出电压的最大值和最小值分别对应所述电光相位调制器的正负半波电压。
6.根据权利要求1所述的基于阵列光束的赝热光源，其特征在于：所述脉冲激光器输出光脉冲的重复频率与射频驱动电源输出信号的变化频率一致。
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