CN110308565B - 一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统及方法，系统包括：宽光谱光源、声光调制器、声光调制驱动、椭球反射镜、空间孔径光阑、黑体吸收腔；其中宽光谱光源发射的光以布拉格衍射角入射至声光调制器进行调制，声光调制驱动控制声光调制器出射级或级衍射光束；从声光调制器出射的级或级衍射光束再经椭球反射镜反射，级衍射光束反射到达孔径光阑，级衍射光束达到黑体吸收腔并被黑体吸收腔吸收。本发明是利用光学椭球反射镜装置实现光束模糊抑制的方法，对声光调制器输出的衍射光束和透射光束进行剥分离。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种声光调制空间光模糊剥离系统。
背景技术
声光调制的原理是超声波在介质中作用，介质受到超声波的纵波弹性变化而产生不同的折射系数变化，而在另外方向透入介质的光束由于折射系数的变化而发生变化，光束的光强也会随之改变。声光调制信息就是调制控制声波的功率，影响折射系数的附加位相，这样就可以把调制声波功率的信息映射到输出光有无衍射。
介质中的声波是平面纵波，设波长为Λ，波矢为K，超声波引起的介质的折射系数变化的关系为：
n(x)＝n0-ΔnsinKx (1.1)
其中折射系数变化量Δn与超声波的介质的弹性模量有关。
折射系数的周期性变化可以看成是对入射光束进行周期性的相位改变，类似于位相光栅的作用。如图1所示，光束传播的方向为y方向，波束宽度为q，入射的光波可以表示为f(t)＝Aeiωt。光束经过介质后由于超声波对介质折射系数的影响，原来的光束波面被调制，因此输出光振幅g(t)可以表示为：
令Δn＝μ,υ＝2πμL/λ，则上式实部和虚部可分别表示为：
其中cos(υsinKx)和sin(υsinKx)可展开如下：
其中，Jr是r阶Bessel函数，∑'表示J0的系数是1。这样式(1.3)中实部可表示为：
式1.5的虚部为零，设θk±mK＝α″，其中m代表式1.5中的2r或(2r+1)。
函数处于极大值时，则α″q＝0。因此可得θk±mK＝0时光强达到最大值，即光束按照Bessel函数的峰值强度分布。图1所示的声光调制光束与声波方向之间垂直，而对于斜入射角度满足条件sin(θ/2)＝K/2k时，声光调制的衍射方式为布拉格衍射，满足布拉格衍射条件的声光调制推导和上面类似。1)声光调制渡越时间分析。根据声光调制器的原理，如图1所示，声波跨过光束需要一定的渡越时间，即光束的强度变化对于声波强度变化的响应不是即时的。设声波在介质中传播速度为vs，可以计算声波穿越光束宽度需要的时间为τ＝q/vs。这说明衍射光束是声波没有完全渡越光束的部分调制的空间光束，也即衍射光束有部分没有衍射，衍射光束与未衍射光束的混合。以氧化碲介质为例，声波传播速度vs＝616μm/μs，波束宽度为2mm，所以声波渡越光束宽度的时间τ＝3.25μs，直接影响声光调制器的消光比。介质中的声波传播速度是固定的，只有改变波束宽度可以减小渡越时间，以提高消光比和调制带宽。
2)可见光宽光谱调制分析。由式1.5可以得到衍射角θ＝±mK/k，可以得出衍射角度与光波长及声波波长有关，而与光束宽度没有关系。可见光的谱段波长不同，光波矢k不同，因此同级衍射角也不同，这样就出现了衍射波束模糊不能分离的问题。对于波长λ＝400nm到λ＝700nm的可见光谱段，设观察屏与声光调制器距离为L，波束空间宽度为q，此时衍射角度Ltanθ≤q，在观察屏上透射光束和衍射光束没有有效分离。
3)光束发散角影响分析及布拉格衍射分析。以上讨论都是基于光束是平行光的条件，没有考虑光束的发散角
光束发散角需要小于声光调制器的衍射角θ，这样才能把衍射光束与透射光束相分离，必须
才可能分离出光束，这样只有增大衍射角θ。根据式1.5推导提高衍射角度需要提高声波的频率，声波频率提高到一定程度使声光衍射满足衍射条件sinθB＝K/2k，即布拉格衍射，θB为布拉格衍射角。如图1.2所示，超声波传播沿x方向，光束传播沿z方向。布拉格衍射的入射光与超声波z轴方向形成一定夹角θB，在声波作用下光束只产生零级和+1级或者-1级，零级与1级之间的夹角2θB，透射光束为零级，衍射光束为1级，这样可以通过控制声波来控制光束的的衍射与否。
通过以上分析，衍射光束和透射光束之间模糊原因如下：一是声波对一定宽度的光束有着一定的渡越时间，产生调制深度不充分的问题，使透射光束和衍射光束的模糊；二是宽光谱光束经过声光调制后，输出的衍射角度不同，透射光束和衍射光束同样存在模糊重叠；三是不是理想的平行光，存在衍射光束与透射光束的光斑足印增大的影响，同样使得输出光束模糊。另外在可见光波段谱段宽，光学镜片组实际也会对光束造成衍射影响。对于声光调制中的声波渡越时间问题，只有通过降低调制带宽来提高调制深度，对于其它问题可以在光路设计中采取必要的措施进行抑制。
(1)技术发展方面，
针对透射光束与衍射光束之间的光斑足印模糊干扰问题，在不同声光调制器的应用场景中有着不同的措施。Vladimir V.Nikulin在激光通信系统中，利用声光调制器实现光束的跟踪和调制，声光调制器的光束剥离利用两级声光调制器扩展衍射角，在跟踪探测器的视场限制下剥离光束，该系统需要长焦的光学系统，因而会影响整体系统的设备布局。P.Brooks分析利用声光调制器的调频信号解调方法，透射光束(零阶光束)直接在光学系统的光轴上利用黑体吸收，将衍射光束作为解调信号，其光学系统焦距比较长，并且黑体的大小和位置直接影响衍射光束的应用。Zhu.Y.F在利用声光调制器模块辅助测量通信系统中，利用光阑空间选择透射光束，抑制衍射光束。这种方法适用于激光窄光谱波束，对于宽光谱则不适用。Nabil Abd rabou提出将声光调制器输出的信号通过光纤耦合的通道隔离，实现了5.75MHz双通道分时通信的方式。这种隔离方式利用单模光纤的通道隔离，隔离效果非常好，但也不适用于本系统的空间光宽光谱通信。Zhang在声光频率调制的锁定波长新方法中，对于衍射光束采用比较小的黑体吸收，并且光学透镜的焦点与声光调制器位置重合，达到声光调制出射光束角度放大的目的。以上光束模糊抑制方法中采用物理通道隔离的方法偏多，但是对于宽光谱的太阳光，利用长焦空间的分离比较困难。
(2)专利方面，声光调制具有专利41篇，没有关于宽光束空间分离方法。
发明内容
本技术解决的问题是：本文提出一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统及方法，是利用光学椭球反射镜装置实现光束模糊抑制的方法，对声光调制器输出的衍射光束和透射光束进行剥分离。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统，包括：宽光谱光源、声光调制器、声光调制驱动、椭球反射镜、空间孔径光阑、黑体吸收腔；其中，
宽光谱光源发射的光以布拉格衍射角入射至声光调制器进行调制，声光调制驱动控制声光调制器出射级或级衍射光束；从声光调制器出射的级或级衍射光束再经椭球反射镜反射，级衍射光束反射到达孔径光阑，级衍射光束达到黑体吸收腔并被黑体吸收腔吸收。
所述宽光谱光源发射的光束近似平行光束，波长属于宽光谱波段，光束以布拉格衍射角θB入射到声光调制器。
所述0级和1级衍射光束之间的夹角为2θB，并且0级衍射光束经过椭球反射镜的其中一个焦点a的镜像点a′，0级衍射光束在椭球反射镜上的光束反射点为椭球面的曲率半径最大点；且1级衍射光束不经过镜像点a′。
所述椭球反射镜的X、Y坐标下的轴长是相等的，且保证
其中m、n和l分别是椭球在X、Y、Z坐标下的轴长。
0级衍射光束经过椭球反射镜反射后，经过椭球反射镜的另一个焦点b的映射点b′，在映射点b′的位置放置空间孔径光阑。
一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离方法，所述方法包括如下步骤：
宽光谱光源发射的光源经过声光调制器调制，调制的受到声光调制驱动控制；声光调制器输出的光束成为0级或1级衍射光束，衍射光束经过椭球反射镜反射，反射的角度不同因此扩大的0级与1级之间的夹角2θB，反射光束通过空间孔径光阑空间选取需要的0级光束，同时通过黑体吸收腔吸收1级光束。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)采用椭球反射方法，扩大反射角，减少色散。
(2)此方法的光束利用椭球可以反射确定透射光束的位置点，利用黑体可以有效吸收。
综上所述，本发明具有创造性，与现有的技术相比具有较大改进，在宽光谱声光调制技术中提出声光调制光束分离方法，在宽光谱声光调制方面可以得到很好的应用，提高了声光调制的实用性。
附图说明
图1是现有技术中的声光调制原理示意图
图2是现有技术中的布拉格衍射的输入输出关系示意图；
图3是本发明实施例提供的宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统原理示意图；
图4是本发明实施例椭球模型几何光学示意图。
具体实施方式
图3是本发明实施例提供的宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统原理示意图。如图3所示，该宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统及方法，其特征在于包括：宽光谱光源1、声光调制器2、声光调制驱动3、椭球反射镜4、空间孔径光阑5、黑体吸收腔6；其中，
宽光谱光源1发射的光以布拉格衍射角入射声光调制器2，0级或1级衍射光束通过声光调制驱动3控制，0级或1级衍射光束反射到椭球反射镜4，0级衍射光束反射到达孔径光阑5，1级衍射光束达到黑体吸收腔6。
上述实施例中，所述宽光谱光源1发射光束近似平行光束，波长为属于宽光谱波段，光束以布拉格衍射角θB入射到声光调制器0级或1级衍射光束之间的夹角为2θB，并且0级衍射光束经过椭球反射镜4焦点a的镜像点a′，光束反射点为椭球面的曲率半径最大点。1级衍射光束不经过镜像点a′，因而不会再椭球面的曲率半径最大点反射。
上述实施例中，0级衍射光束经过椭球反射镜(4)反射，必然经过椭球面焦点b的映射点b′，在b′放置空间孔径光阑(5)。1级衍射光束经过椭球反射镜(4)反射，为了防止杂散光对空间孔径光阑的中的光束干扰，采用黑体吸收腔吸收1级光束。
具体的，本实施例提出一种利用光学椭球反射镜装置实现光束模糊抑制的方法，采用椭球反射镜的优点如下：图3所示，一是不会带来宽光谱不同波长附加光程差的光衍射问题；二是0级光束从a′点经过，反射后的光必然从b′点经过，并且入射光束与反射光束之间的角度是关联的。对于1级衍射光束反射后的光也必然不从b′点经过，这样可以有效地分离光束。对声光调制器输出的衍射光束和透射光束进行剥离，具体实施步骤如下:
1、图3所示，光束以布拉格衍射角θB入射到声光调制器，调制器输出角度为2θB的0级或1级衍射光束。
2、出射光束分别照射到焦点为a、b的椭球面上。0级光束经过a焦点镜面映射的a′点，在椭球面曲率半径最大处反射，在微观角度看此点近乎平面。反射的光束经过焦点b的映射点b′，b′点可以进行光束的整形和聚焦。而1级衍射光束经过a′点，由于与0级光束之间夹角2θB，所以反射点不在曲率半径最大处，所以反射光束不会到达映射焦点b′。
根据Lucttgen提出的椭球模型关系，在椭球空间中的每个点都可由径向分量ξ、角坐标η和方位坐标Φ唯一确定。在X-Y-Z空间坐标内的任意一点对应于椭球坐标(ξ,η,φ)。图4所示，定义α为衍射光束在椭球的外表面反射后与椭球面法线的夹角。根据光线几何关系可以得到衍射光束经过反射后，与焦点连线的夹角为
并且椭球面不同的位置点(ξ,η,φ)就有不同的α角度。镜像椭球面中，衍射光束经过反射的延长线与a，b焦点连线夹角也是
与法线延长线夹角也是α。定义焦点a和b连线与反射点的夹角为
和
定义发射点与焦点a和b连线与法线夹角为β。这样可以得到
进而得到
得到衍射光束经过反射后，与焦点连线的夹角为
声光调制器输出的衍射光束与透射光束之间夹角为2θB，经过椭球反射镜后，之间的夹角|ψ|就为
3、经过椭球反射镜后光束之间的夹角变成ψ，且ψ>2θB，这样就可以分离出0级和1级的衍射光束。0级光束从a′点经过，反射后的光必然从b′点经过，并且入射光束与反射光束之间的角度是关联的，在b′处放置空间孔径光阑，空间选取所需的0级光束，孔径光阑的直径与光源输入声光调制器的光束直径相同。对于1级衍射光束反射后的光也必然不从b′点经过，为了衍射1级光束得到有效分离，最后1级光束通过宽口径黑体吸收腔得到比较充分的光能吸收。
所述椭球反射镜(4)的X、Y坐标下的轴长是相等的；椭球方程中的m，n和l分别是椭球在X、Y、Z坐标下的轴长，定义椭球的m＝n，两焦点之间的距离为r，得到：
本实施例还提供了一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离方法，结合图3，该方法包括如下步骤：
宽光谱光源1发射的光源经过声光调制器2调制，调制的受到声光调制驱动3控制；声光调制器输出的光束成为0级或1级衍射光束，衍射光束经过椭球反射镜4反射，反射的角度不同因此扩大的0级与1级之间的夹角2θB，反射光束分别通过空间孔径光阑5空间选取需要的0级光束，通过黑体吸收腔6吸收1级光束。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统，其特征在于包括：宽光谱光源(1)、声光调制器(2)、声光调制驱动(3)、椭球反射镜(4)、空间孔径光阑(5)、黑体吸收腔(6)；其中，
宽光谱光源(1)发射的光以布拉格衍射角入射至声光调制器(2)进行调制，声光调制驱动(3)控制声光调制器(2)出射0级和1级衍射光束；从声光调制器(2)出射的0级和1级衍射光束再经椭球反射镜(4)反射，0级衍射光束反射到达孔径光阑(5)，1级衍射光束到达 黑体吸收腔(6)并被黑体吸收腔(6)吸收；
所述宽光谱光源(1)发射的光束为平行光束，波长属于宽光谱波段，光束以布拉格衍射角θB入射到声光调制器(2)；
所述0级和1级衍射光束之间的夹角为2θB，并且0级衍射光束经过椭球反射镜(4)的其中一个焦点a的镜像点a′，0级衍射光束在椭球反射镜(4)上的光束反射点为椭球面的曲率半径最大点；且1级衍射光束不经过镜像点a′。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱声光调制空间光模糊剥离系统，其特征在于：所述椭球反射镜(4)的X、Y坐标下的轴长是相等的，且保证
其中m和l分别是椭球在X和Z坐标下的轴长。
3.一种利用权利要求1所述系统进行宽光谱声光调制空间光模糊剥离的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
宽光谱光源(1)发射的光源经过声光调制器(2)调制，调制的受到声光调制驱动(3)控制；声光调制器(2)输出的光束成为0级和1级衍射光束，衍射光束经过椭球反射镜(4)反射，反射的角度不同因此扩大的0级与1级之间的夹角2θB，反射光束通过空间孔径光阑(5)空间选取需要的0级光束，同时通过黑体吸收腔(6)吸收1级光束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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