CN1165779C - 光折变自适应光外差探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光折变自适应光外差探测方法。主要解决现有同类技术信噪比低，光路调整难等问题。仅采用一个光折变晶体PR，使信号光束(2)和本地激光器Laser的出射光束(8)同时入射到该光折变晶体PR中作为泵浦光束。调整光束(2)和光束(8)的入射位置及入射角度，使光折变晶体PR工作于自泵浦与互泵浦相位共轭共存的状态，所产生的光束(3)为部分信号光束(2)的自泵浦相位共轭反射光，所产生的光束(4)为部分信号光束(2)的互泵浦相位共轭反射光；光束(3)经分束器BS的透射光束(6)与光束(4)经BS的透射光束(7)光路径完全一致，且在光电探测器D的光敏面上准直且波前匹配。具有信噪比高、探测灵敏度高、系统结构简单易调整的优点，可用于激光通讯、雷达、外差光谱学、激光陀螺等光外差探测。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体的说是一种依据非线性光学的光折变相共轭原理，利用光折变晶体内自泵浦、互泵浦相位共轭共存的特性，而提出的一种新型的光折变自适应光外差探测方法。该方法主要应用于激光通讯、雷达、外差光谱学、以及激光陀螺等领域内的光外差探测。
背景技术
众所周知，光外差探测技术与直接探测技术相比，具有很高的探测灵敏度，所以在弱信号探测中具有广泛的应用。但是，根据光外差技术原理，为了在探测器光敏面上得到有效的光外差，信号光与参考光必须波前匹配、角度准直，并保持偏振方向一致，因而在实际应用中，要实现光外差探测是十分困难的。1988年，美国的Shamir等人在“Wavefront Conjugationand Amplification for Optical Communication Through Distorting Media”，Appl.Opt.，1988，27(14)：2912～2914中提出利用光折变相位共轭技术修正光外差探测系统中信号波前畸变的设想。其后，与该类技术有关的进一步研究有：Adamas等人在“Wide-field-of-view heterodyne receiver using aphotorefractive double phase conjugate mirror”.Opt.Lett.，1991，16(11)332～334和“Adaptive spatially injection-locked heterodynereceiver”.Opt.Lett.，1993，18(3)：226～228中分别从实验上说明这类系统具有宽视场特性，可以使参考光与含有大量空间模式的信号光相匹配的自适应特性；西安电子科技大学的过巳吉等人在“光折变自适应光外差探测系统理论研究”.光学学报，1995，15(8)：1132～1135和“光折变自适应光外差探测的实验研究”.中国激光，1997，A24(7)，619～622中也先后报道了有关光折变自适应光外差探测系统的理论和实验研究。现有的三种自适应光外差探测技术方案如图6、图7和图8所示。这三种自适应光外差探测技术方案虽说都能实现光外差探测，但它们具有明显的不足：(1)均采用了两块光折变晶体PR，光路调整难度大；(2)外差探测系统并非处于最佳的探测灵敏度状态；(3)两块光折变晶体之间使用的分束器BS，对外差系统不可避免地引入了干扰光，降低了系统的信噪比。
发明内容
本发明主要解决现有光折变自适应光外差探测技术的信噪比低，探测灵敏度不能处于最佳状态，光路调整难的问题。利用光折变晶体内自泵浦、互泵浦相位共轭共存的特性，发明了一种新型的光折变自适应光外差探测方法，原理如图1所示。在该方法中采用一个光折变晶体PR，光束1是经过传输介质波前已发生畸变的信号光，经分束器BS反射后，作为光折变晶体PR的泵浦光束2入射于光折变晶体，本地激光器Laser的出射光束8作为光折变晶体的另一泵浦光束也入射于该光折变晶体。依据光折变晶体光学特性，调整晶体两泵浦光束2和8的入射位置和入射角度，使光折变晶体工作于自泵浦相位共轭与互泵浦相位共轭共存的状态。光束3经BS的透射光束6与光束4经BS的透射光束7入射到光电探测器D上的光路径完全一致，并在光电探测器D的光敏面上准直且波前匹配，从而实现自适应光外差探测。
该光路的光束3是部分信号光束2的自泵浦相位共轭反射光，其频率与光束2的频率相同，波前是光束2的共轭波前；光束4是部分信号光束2的互泵浦相位共轭反射光，其频率与光束8相同，波前也是光束2的共轭波前。
调整激光器Laser出射光束的偏振方向，使得对称入射于晶体PR两表面的泵浦光束2和8的偏振方向要保证于晶体PR的非线性作用最强。
本发明相对于现有的光折变自适应光外差探测系统，具有如下优点：
(1)可以避免分束器BS对外差系统引入干扰光
本发明由于采用调整晶体两泵浦光束2和8的入射位置和入射角度，使光折变晶体工作于自泵浦相位共轭与互泵浦相位共轭共存的状态，且光束3是部分信号光束2的自泵浦相位共轭反射光，光束4是部分信号光束2的互泵浦相位共轭反射光，光束3经BS的透射光束6与光束4经BS的透射光束7的光路径完全一致，如图2所示，没有干扰光的产生，因而可以满足光外差探测中参考光与信号光准直匹配的要求。而对于图6、图7和图8所示的现有光折变自适应光外差探测系统，，由于信号光束1部分透过BS形成光束7，光束3为信号反射光束2的相位共轭光，光束4为光束3经BS的透射光，光束5与光束4相位共轭，光束10和光束6分别为光束5在分束器BS前后两表面的反射光，所以，光束10相对于信号光的透射光束7有一定的横向位移，如图5所示。因此，只有光束6才能成为外差探测中所需要的理想自适应参考光，而光束10则不行，它不满足光外差探测中参考光与信号光准直匹配的要求，实际上它成为外差探测中的干扰光。
(2)可获得最佳的光外差探测系统灵敏度。
本发明由于采用图1所示的光外差探测系统，入射到探测器光敏面上的光束6和光束7的光路径完全一致，不存在被探测的两光束光程差对探测灵敏度的影响，因而可以获得高的外差探测系统的灵敏度。而由图4测得的一般外差探测系统的探测灵敏度K和被探测两光束光程差L之间的依赖关系可知：当入射到探测器光敏面上的两光束光程差为零时，外差探测系统的探测灵敏度最大，随着光程差的增加，探测灵敏度会降低。在图6、图7和图8给出的三种外差探测系统中，入射到探测器光敏面上的光束6和光束7的光程差为两光折变晶体PR1和PR2之间距离的两倍，因而它们的探测灵敏度都很低。当两个晶体PR1和PR2之间的距离增大到一定程度，外差探测器输出的中频信号就会完全淹没于噪声之中。
(3)仅用一块光折变晶体PR就实现了光外差探测，所以系统结构简单，且易调整。
附图说明
图1是本发明的光折变自适应光外差探测系统图
图2是本发明的光外差探测系统中分束器BS的分束、合束光路图
图3是本发明利用Cu：KNSBN晶体测得的一般外差探测系统的探测灵敏度K和被探测两光束的光程差L之间的依赖关系图
图4是本发明的光折变自适应光外差探测技术方案中晶体安置参数示意图
图5是现有的光折变自适应光外差探测系统中，分束器BS为有一定厚度的平行板时的分束、合束光路图。图中的光束10相对于入射到探测器光敏面上的光束6和光束7有一定的横向位移，实际上它成为光外差探测中的干扰光。
图6和图7是过巳吉等人给出的现有光折变自适应光外差探测系统图。其中，图6中的晶体PR1相对于光束2和光束8作为互泵浦相位共轭器使用，晶体PR2相对于光束4作为自泵浦相位共轭器使用；图7中的晶体PR1相对于光束2和光束8作为互泵浦相位共轭器使用，晶体PR2相对于光束4和光束9也同样作为互泵浦相位共轭器使用。
图8是Shamir等人提出的现有光折变自适应光外差探测系统设想图，图中的光折变晶体PR1相对于光束2和光束8作为互泵浦相位共轭器使用，光折变晶体PR2相对于光束4、光束5、光束11和光束12作为四波混频相位共轭器使用。
各图中Laser为激光器；M为反射镜；BS、BS1、BS2为分束器；PR、PR1、PR2为光折变晶体；D为探测器；1～12为光束。
具体实施方案
本发明的光折变自适应光外差探测技术方案原理如图1所示，调整光折变晶体PR两个泵浦光束2和8的入射位置和入射角度，可使晶体工作于自泵浦相位共轭与互泵浦相位共轭共存的状态。由相位共轭工作原理可知，入射到探测器光敏面上的光6，光7的光路径完全一致，可以有效地避免干扰光的形成，如图2所示。由图3测试图可知，当入射到探测器光敏面上的两光束光程差为零时，外差探测系统的探测灵敏度最高，因此，本发明的光折变自适应光外差探测系统的探测灵敏度最高。本发明方案中的晶体安置参数如图4所示，其中θ为第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)之间的入射夹角，c为晶体PR的光轴方向，x为第一泵浦光束(2)或第二泵浦光束(8)的入射点到晶体PR底面的距离，称为光的入射位置。实现该技术方案的关键是对所使用光折变晶体的性能有清楚地了解，并通过仔细调整晶体PR两束泵浦光2和8的入射位置和入射角度，使晶体PR工作于最佳的自泵浦、互泵浦相位共轭共存状态。对于不同的晶体，两束泵浦光2和8有其不同的最佳入射夹角和入射位置。以下给出晶体PR为Cu：KNSBN的实施例。
实施例1
晶体PR尺寸为6×6×7mm3，光轴沿长轴方向。调整激光器出射光束的偏振方向，使对称入射于该晶体两表面的泵浦光束2和8的偏振方向相对于晶体是e光入射。保证自泵浦与互泵浦相位共轭共存的两泵浦光束2和8的入射夹角θ调整范围为30°～70°时，两泵浦光束2和8入射位置x的取值范围为2.25mm～4.75mm。其中，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝48°，x＝4.0mm。
实施例2
晶体PR尺寸为5×5×6mm3，光轴沿长轴方向。调整激光器出射光束的偏振方向，使对称入射于该晶体两表面的泵浦光束2和8的偏振方向相对于晶体是e光入射。保证自泵浦与互泵浦相位共轭共存的两束泵浦光2和8的入射夹角θ调整范围为40°～60°时，两泵浦光束2和8入射位置x的取值范围为2.0mm～4.25mm。其中，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝54°，x＝3.0mm。
实施例3
晶体PR尺寸为5.5×5.5×6mm3，光轴沿长轴方向。调整激光器出射光束的偏振方向，使对称入射于该晶体两表面的泵浦光束2和8的偏振方向相对于晶体是e光入射。保证自泵浦与互泵浦相位共轭共存时两泵浦光束2和8的入射夹角θ调整范围为35°～65°时，两泵浦光束2和8入射位置x的取值范围为2.25mm～4.5mm，其中，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝50°x＝3.5mm。
Claims (4)
1.一种光折变自适应光外差探测方法，是用本地激光器的出射光束和信号光束经分束器反射后的光束分别作为光折变晶体的泵浦光束，使入射到光电探测器的光敏面上的两束光准直且波前匹配，其特征在于：
a.采用一个光折变晶体，信号光束(2)与本地激光器的出射光束(8)同时入射到该光折变晶体中，分别作为光折变晶体的第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)；
b.调整晶体第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)的入射位置及入射角度，使光折变晶体工作于自泵浦相位共轭与互泵浦相位共轭共存的状态；
c.自泵浦相位共轭反射光束(3)经分束器的透射光束(6)与互泵浦相位共轭反射光束(4)经分束器的透射光束(7)入射到光电探测器上的光路径完全一致，且在光电探测器的光敏面上准直且波前匹配，以实现光折变自适应光外差探测。
2.根据权利要求1所属的光外差探测方法，其特征在于自泵浦相位共轭反射光束(3)与第一泵浦光束(2)同频，自泵浦相位共轭反射光束(3)的波前是第一泵浦光束(2)的相位共轭波前；互泵浦相位共轭反射光束(4)与第二泵浦光束(8)同频，互泵浦相位共轭反射光束(4)的波前也是第一泵浦光束(2)的相位共轭波前。
3.根据权利要求1所属的光外差探测方法，其特征在于调整激光器的出射光束偏振方向，使对称入射于晶体两表面的第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)的偏振方向相对于晶体是e光入射。
4.根据权利要求1所属的光外差探测方法，其特征在于第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)入射夹角和入射位置的调整应使其达到最佳状态，对所采用的晶体为Cu：KNSBN系列，根据不同尺寸选定，即：
晶体尺寸为6×6×7mm3时，第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)的入射夹角(θ)调整范围为30°～70°，入射位置(x)的取值范围为2.25mm～4.75mm，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝48°，x＝4.0mm；
晶体PR尺寸为5×5×6mm3时，第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)入射夹角(θ)的调整范围为40°～60°，入射位置(x)的取值范围为2.0mm～4.25mm，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝54°，x＝3.0mm；
晶体尺寸为5.5×5.5×6mm3时，第一泵浦光束(2)和第二泵浦光束(8)入射夹角(θ)的调整范围为35％65°时，入射位置(x)的取值范围为2.25mm～4.5mm，最佳入射夹角和最佳入射位置分别为θ＝50°x＝3.5mm；
该入射位置(x)为第一泵浦光束(2)或第二泵浦光束(8)的入射点到晶体底面的距离。
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