CN105866969A - 一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其步骤包括：用光梯将具有一定线宽的激光分成多束，该光梯具有多个子孔径，使子孔径间最短波长光束相位差和最长波长光束相位差之差大于等于2π；光束通过发射系统发射后经大气路径传输，子孔径间相同波长光束在目标处相干叠加，不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，实现抑制湍流闪烁现象、提高激光远场光斑均匀性的目的。本发明克服了单台激光器远场光斑不均匀的缺点，同时结构简单，克服了传统多光束系统中结构复杂、伺服控制和共轴困难的缺点。本发明可应用于激光照明成像、光通信、激光雷达等领域。

Description

一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，属于激光远场应用领域，也属于激光照明成像、光通信、激光雷达等领域。

背景技术

在激光远场应用中，远场光斑强度分布的均匀性非常重要。在激光雷达系统中，光斑强度分布均匀性对小目标、暗目标的探测识别有重要意义；在光通信系统中，远场光强分布均匀且稳定，能极大地减小误码率；在激光主动照明成像系统中，照明激光均匀照明目标区域，可提高目标回光亮度和系统成像清晰度，使系统能全天候精确地探测和识别目标。

理想条件下，激光到达远处光强分布均匀，雷达及成像系统中目标的回波图像轮廓清晰、稳定，通信系统中通信误码率极小。但由于大气湍流的随机扰动及单波长激光的高相干性的影响，激光到达远处时光强呈散斑分布，且分布形态随时间变化，雷达系统中回光强度闪烁影响了对小目标、暗目标的探测识别，成像系统中目标的回波图像边界模糊、明暗闪烁，识别及跟踪精度变差，通信系统中光强闪烁、通信误码率增大。

目前主要采用多光束传输、非相干光传输、事后图像处理、大口径接收、自适应光学等方法提高激光远场均匀性。多束非相干光束经过不同大气路径，在远处非相干叠加，可平滑大气湍流引起的强度起伏，改善激光远场均匀性【一种用于抑制激光远场光斑湍流闪烁及散斑的方法，申请号：201410797006.6】。但这种方法需要将多束激光聚焦到同一目标上，光学系统复杂，伺服控制和共轴更加困难。部分相干光源也能匀滑湍流的闪烁现象，提高激光远场均匀性，但作用有限【万敏,张卫,向汝建,杨锐.激光空间相干性对照明均匀性的影响[J].强激光与粒子束，2002,14(1)：41-44】。图像事后处理可在一定程度上消除湍流对远场光斑均匀性的影响，但图像后处理需要复杂运算，计算耗时难以提高系统实时性【David Dayton,Steve Browne,John Gonglewski.Long-rang laserilluminated imaging:analysis and experimental demonstration[J].Opt.Eng,0(6),1001-1009(2001)】。大孔径接收可以有效地抑制光强起伏的影响，但同时会增加接收端机的尺寸和重量，在设计和装配时难度较大，其应用受到一定限制。自适应光学(AO)技术可从根本上消除大气湍流影响，但强湍流情况下光束波前出现不连续点，波前探测和重构困难，且自适应光学结构复杂，价格昂贵【武云云.自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D].中国科学院大学，2014】。

发明内容

本发明为了解决激光经湍流大气传输后，远场光斑强度不均匀的问题，提出一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法：用光梯将具有一定线宽的激光分成多束，该光梯具有多个子孔径，使子孔径间最短波长光束相位差和最长波长光束相位差之差大于等于2π；光束通过发射系统发射后经大气路径传输，子径间相同波长光束在目标处相干叠加，不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，实现提高激光远场光斑均匀性的目的。

本发明的技术方案是：基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，包括以下步骤：利用光梯将具有一定线宽的激光器输出的激光分成多束，该光梯具有多个子孔径，使子孔径间的最短波长光束相位差和最长波长光束相位差之差大于等于2π。光束通过发射系统发射后经大气路径传输，子孔径间相同波长光束在目标处相干叠加，光强分布为：

$I\left(P\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{E}_m^2\left(P\right)+\underset{m=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{n=m+1}{\overset{M}{\Σ}}2\left|E_m\left(P\right)\right|\left|E_n\left(P\right)\right|{\mathrm{cos\δ}}_{mn}\left(P\right)---\left(1\right)$

其中M是光梯子孔径数目，E_m(P)和E_m(P)分别是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光场，δ_mn(P)是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的相位差，是第m和第n个子孔径光束初始相位差，k是光束波数，ΔL_mn(P)是无光梯时第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光程差，n₂是光梯折射率，Δl_mn是光梯第m和第n个子孔径厚度差。

不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，光强分布为：

式中k₀是激光中心波数，Δk是波数宽度，是第m个子孔径在目标平面的光强分布，基于光梯的远场光斑分布等价于多孔径光源非相干合成光斑分布。

优选地，所述的具有一定线宽激光器的激光谱线宽度为pm量级到μm量级或者具有一定线宽的激光器是多波长激光器。

优选地，所述的具有一定线宽的激光器为连续激光器或脉冲激光器。

优选地，所述的光梯子孔径间厚度差Δl_mn满足当时激光远场光斑匀化效果最好，其中λ₀是激光中心波长，Δλ是激光波长宽度，p是大于等于0的整数。

优选地，所述的光梯可以是透射式或者反射式的，透射式光梯折射率n₂为材料折射率，反射式光梯折射率n₂＝2。

优选地，所述的光梯子孔径数目为1～N个，N为无穷大；子孔径形状为任意形状，排布方式为任意排布。

优选地，所述的发射系统可以是光学镜组、或扩束系统、或缩束系统、或望远镜、或ATP等发射系统；发射方式可以是平行、或聚焦、或离焦等发射方式。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，用光梯将具有一定线宽的激光分成多束，实现子径间相同波长光束在目标处相干叠加，不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，提高激光远场光斑均匀性。克服了单台激光器远场光斑不均匀的缺点，结构简单、克服了传统多光束系统中结构复杂、伺服控制和共轴困难的缺点。

附图说明

图1为本发明所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法结构示意图。图中标记如下：1为具有一定线宽的、2为光梯、3为发射系统、4为大气传输路径。

图2为单光束激光照明及基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法到达目标处的光斑分布。

图3为典型的光梯的结构。(a)(b)为有无遮拦比时，子孔径为圆形的正六边形排布结构；(c)(d)为有无遮拦比时，子孔径为扇形的正六边形排布结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，对图1进行说明，本发明提供的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，具有一定线宽的激光器1输出的激光束入射到光梯2上，光束通过发射系统3发射后经大气路径4传输，在目标处获得远场光斑。

具有一定线宽的激光器1是脉冲激光器，激光中心波长λ₀＝1064nm、谱宽Δλ＝5nm。

光梯2是透射式，具有6个子孔径、呈正六边形排布，光梯2折射率n₂＝1.5且第m和第n个子孔径厚度差为如图1中光梯2所示。

发射系统3是ATP发射系统，大口径D＝0.8m，对应光梯子孔径d_sub＝0.24m。ATP发射系统发射方式为聚焦发射。

ATP发射系统指向为60°仰角斜向上，发射光束经过大气路径传输距离l＝600km，传输后，子孔径间相同波长光束在目标处相干叠加为：

$I\left(P\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{E}_m^2\left(P\right)+\underset{m=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{n=m+1}{\overset{M}{\Σ}}2\left|E_m\left(P\right)\right|\left|E_n\left(P\right)\right|{\mathrm{cos\δ}}_{mn}\left(P\right)---\left(4\right)$

其中M是光梯子孔径数目，E_m(P)和E_m(P)分别是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光场，δ_mn(P)是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的相位差，是第m和第n个子孔径光束初始相位差，k是光束波数，ΔL_mn(P)是无光梯时第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光程差，n₂是光梯折射率，Δl_mn是光梯第m和第n个子孔径厚度差。

不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，光强分布为：

式中I是光束在目标处的光斑强度，k₀是激光中心波数，Δk是波数宽度，是第m个子孔径在目标平面的光强分布。

由于激光中心波长λ₀＝1064nm、谱宽Δλ＝5nm，光梯2折射率n₂＝1.5且第m和第n个子孔径厚度差为则|Δk(n₂-1)Δl_mn|＝2π，即：

$\frac{sin\left(\mathrm{\Δ}k\right(n_2-1){\mathrm{\Δl}}_{mn}/2)}{(n_2-1)({\mathrm{\Δl}}_{mn}/2)}=0---\left(7\right)$

此时，式(6)可简化为：

$I\≈\mathrm{\Δ}k\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{I}_m\≈\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\mathrm{\Δ}k\·I_m$

基于光梯的远场光斑分布等价于多孔径光源非相干合成光斑分布。图2是通过数值模拟得到的大口径发射激光和基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法发射激光到达目标处的光斑分布。可以看到大口径远场光斑呈离散分布，且大气相干长度r₀＝18.7cm逐渐减小到7.3cm(湍流增强)，大口径远场光斑离散性越强、均匀性越差；5nm宽谱6路合成远场光斑(基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法获得远场光斑)无明显离散现象，光斑均匀性比大口径远场光斑好，且随着大气相干长度r₀减小(湍流增强)光斑均匀性没有明显变差。

图3给出了四种典型的光梯结构。图3中的(a)是光束中心无遮拦，光梯子孔径为7个，排布为圆形正六边形排布的光梯结构图；图3中的(b)是光束中心有遮拦，光梯子孔径为6个，排布为圆形正六边形排布的光梯结构图；图3中的(c)是光束中心无遮拦，光梯为整块光学镜制成，光梯等分为6个部分，每个部分间厚度差(d)是光束中心有遮拦，光梯为整块光学镜制成，光梯等分为6个部分，每个部分间厚度差

以上仅为本发明的具体实施方案，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)利用光梯将具有一定线宽的激光器输出的激光分成多束，该光梯具有多个子孔径，使子孔径间的最短波长光束相位差和最长波长光束相位差之差大于等于2π；

(2)光束通过发射系统发射后经大气路径传输，子孔径间相同波长光束在目标处相干叠加，不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，实现抑制湍流闪烁现象、提高激光远场光斑均匀性的目的。

所述步骤(2)具体流程如下：

(2.1)子孔径间相同波长光束在目标处相干叠加，光强分布为：

$I\left(P\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{E}_m^2\left(P\right)+\underset{m=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{n=m+1}{\overset{M}{\Σ}}2\left|E_m\left(P\right)\right|\left|E_n\left(P\right)\right|{\mathrm{cos\δ}}_{mn}\left(P\right)---\left(1\right)$

其中M是光梯子孔径数目，E_m(P)和E_m(P)分别是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光场，δ_mn(P)是第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的相位差，是第m和第n个子孔径光束初始相位差，k是光束波数，ΔL_mn(P)是无光梯时第m和第n个子孔径光束在目标平面P点的光程差，n₂是光梯折射率，Δl_mn是光梯第m和第n个子孔径厚度差；

(2.2)不同波长光束在目标处的相干叠加光斑强弱互补并进行非相干叠加，光强分布为：

式中I是光束在目标处的光斑强度，k₀是激光中心波数，Δk是波数宽度，是第m个子孔径在目标平面的光强分布，基于光梯的远场光斑分布等价于多孔径光源非相干合成光斑分布。

2.根据权利要求1所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：所述步骤(1)具有一定线宽激光器的激光谱线宽度为pm量级到μm量级或者具有一定线宽的激光器是多波长激光器。

3.根据权利要求1所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：具有一定线宽的激光器为连续激光器或脉冲激光器。

4.根据权利要求1或4所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：光梯子孔径间厚度差Δl_mn满足当时激光远场光斑均匀性最好，其中λ₀是激光中心波长，Δλ是激光波长宽度，p是大于等于0的整数。

5.根据权利要求1所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：光梯可以是透射式或者反射式的，透射式光梯折射率n₂为材料折射率，反射式光梯折射率n₂＝2。

6.根据权利要求1所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：光梯子孔径数目为1～N个，N为无穷大；子孔径形状为任意形状，排布方式为任意排布。

7.根据权利要求1所述的基于光梯的提高激光远场光斑均匀性的方法，其特征在于：所述发射系统是光学镜组、或扩束系统、或缩束系统、或望远镜、或ATP发射系统；发射方式是平行、或聚焦、或离焦发射方式。