CN117213626B - 基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统，涉及光学参数检测技术领域。所述不可见光束参数的测量方法包括：形成包含待测的不可见光束的入射光，并使其入射一光学晶体；所述入射光穿过所述光学晶体转换为出射光；测量所述出射光中包含的可见光的参数，基于所述可见光的参数获得所述不可见光的参数；其中，所述可见光的光斑中心位置和待测不可见光的光斑中心位置始终相同。本发明的测量方法及系统不需要复杂工艺，光路简单，设备要求不高，通过简单的光学器件实现了不可见光束的高准确率的测量。

Description

基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统

技术领域

本发明涉及光学参数检测技术领域，尤其涉及一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统。

背景技术

一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400nm到700nm之间。不可见光是指除可见光外其他所有人眼所不能感知的波长的电磁波，包括无线电波、微波、远红外光、红外光、紫外光、X射线、γ射线等。不可见光因为人眼或常规成像系统无法观测到，所以无法直接进行相关参数测量。光束的相关参数包括直径、横截面分瓣、测量光场分布、光斑直径、发散角大小等参数，反映不可见光的光场分布和传输情况。比如公开号为CN108363258A的专利申请通过可见光波段矢量光束生成系统将可见光波段转化为紫外波段，从而获得紫外矢量光束。目前测量不可见光的方法需要专门的探测器或设备进行探测，可以用专用波长的CCD进行测量，但仅能测量某一位置光束的相关参数，如光斑大小和能量分布情况等。而且这些专门的探测器和设备往往具有特定的光谱响应范围，在目标检测光源范围外，易受到外界光源的干扰，从而使得测量数据不准确；也可以使用红外相机等装置进行测量，但需要配合成像装置，成像波长范围有限，易受环境影响，而且在光路调节时使用不方便，不如转换成人眼可见的可见光再进行测量和调节更加方便，而且可使用的器件更多、更便宜。

公开号为CN112198133A的专利申请对其进行了改进，通过将红外激光转化为可见光，从而可以计算红外激光在传输过程中的稳定性和损耗。生成的光但需要在红外倍频片表面添加滤光片或镀各种膜，这使器件工艺更加复杂，成本增加，并容易引入杂质，使得光路系统不可靠。

在现有技术中，激光雷达是一种基于激光进行探测与测距的仪器。在探测不同目标之前，需要了解激光源的参数或部分参数，比如激光源的光斑的直径、横截面分瓣、光斑大小、发射角、光场分布、束腰位置等空间参数，此时，激光源就成为了待测光源。然而，现有技术中还没有直接、可靠地测量不可见光束参数的方法和装置。因此，如何直接简单地、准确可靠和低成本地测量不可见光束参数成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统，以期至少部分地解决现有技术中存在的不足。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现：

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法，包括如下步骤：形成包含待测的不可见光束的入射光，并使其入射一光学晶体，所述光学晶体包含非线性频率变换单元；所述入射光穿过所述光学晶体转换为出射光；测量所述出射光中包含的可见光的参数，基于所述可见光的参数获得所述不可见光的参数；其中，所述可见光的光斑中心位置和待测的不可见光束的光斑中心位置始终相同。优选的，所述可见光的参数可以为所述可见光的部分参数或全部参数。优选的，所述非线性频率变换单元为和频晶体、差频晶体、倍频晶体中的至少一种。在另一可选实施例中，所述光学晶体采用非线性频率变换单元。所述光学晶体侧面没有滤光片、偏振片、双色膜等，使得光学器件更加简单可靠，制造成本低。当所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，使用待测的不可见光束与辅助光束通过二向色镜单元叠加来形成所述入射光，所述辅助光束的模场的面积和发散角均大于等于所述待测的不可见光束的模场的面积和发散角；当所述非线性频率变换单元为倍频晶体时，由所述待测的不可见光束组成所述入射光。

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法，测量可见光的参数的步骤中，直接使用尺子测量和/或使用测试器件来接收所述可见光，所述测试器件为CCD摄像头、CCD传感器、光功率计、光电探丝器和光分流器。所述尺子包括直尺、千分尺、六分仪、游标卡尺、螺旋测微器、量角器和/或角尺等至少一种或多种的组合。

可见光的参数测量可以通过肉眼配合尺子等工具实现直接测量，在现有测量系统中，为测量不可见光的参数，通常不会采用以尺子和/或测试器件测量可见光的方式来实现。可选的，所述可见光的参数可以为所述可见光的部分参数或全部参数，所述不可见光的参数为部分参数或全部参数。可选的，直尺与系统分离设置或一体设置。其中分离设置指尺子与测量不可见光束的测量系统分开设置，人工可以拿尺子进行测量。一体设置指尺子设置在测量不可见光束的测量系统上，且可根据测量需要自由移动，人工可以通过尺子进行测量。优选的，使用光屏接收可见光，光屏可与尺子配合使用，直接使用尺子测量可见光的参数，比如光斑大小，覆盖范围，发散角大小等，从而进一步测量到不可见光的参数。使用尺子测量可见光的参数降低了系统的复杂度，同时也降低了测量难度。

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法，所述可见光的部分参数包括光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中的至少之一。

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法，在测量可见光的参数之前，还包括将出射光中的辅助光束去除的步骤；和/或在测量可见光的参数之前，还包括通过温控装置对光学晶体进行温度控制来满足和频相位匹配条件和/或差频相位匹配条件，或者倍频相位匹配条件的控制步骤。

实际原则上还需要考虑光束在非线性晶体和空气中传输折射率不同的问题，但在应用中非线性晶体尺寸很小，进行实际应用的都是从晶体出射后在空气中传输的部分，所以非线性变换产生的光只对晶体以外的光束不同位置的光斑进行测量，并反推表达式便可以得到从晶体出射后的光束传输情况，并进而反推待测光从晶体出射以后的光束传输情况。

另外，本发明所述的测量不可见光束参数的方法、装置或系统在本发明任一可选实施例或不同实施例的组合中，非线性频率变换产生的可见光的光斑中心位置和待测不可见光始终是相同的，所以根据可见光的光斑中心传输情况，便可以得到待测光的光斑中心传输情况。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，其包括：

待测光源，用于发出待测的不可见光束；

入射光形成单元，用于形成包含所述待测的不可见光束的入射光；

光学晶体，所述光学晶体包含非线性频率变换单元，其中所述入射光入射所述光学晶体，并转换成出射光；

测试器件，用于测量所述出射光中包含的可见光的参数，基于所述可见光的参数获得所述不可见光的参数，其中，所述可见光的光斑中心位置和待测不可见光的光斑中心位置始终相同。优选的，所述非线性频率变换单元为和频晶体、差频晶体和倍频晶体中的至少一种。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，当所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，所述入射光形成单元包括第一二向色镜单元和辅助光源；其中，所述辅助光源用于发出辅助光束，所述第一二向色镜单元用于将所述待测的不可见光束与所述辅助光束叠加来形成所述入射光；其中，所述辅助光束的模场的面积和发散角均大于等于所述待测的不可见光束的模场的面积和发散角；

当所述非线性频率变换单元为倍频晶体时，所述入射光形成单元直接将所述待测的不可见光束作为所述入射光。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，所述测量系统还包括：

第二二向色镜单元，用于在测量出射光中包含的可见光的参数之前，将出射光中的辅助光束去除；

温控装置，用于控制光学晶体的温度，以满足和频、差频或者倍频的相位匹配条件。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元分别位于所述光学晶体相对两侧且位于同一水平面上；所述第一二向色镜单元与水平面上夹角为A，所述第二二向色镜单元与水平面上夹角为B，A和B均在[0，π/2]之间取值。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，当包括测试器件时，所述测试器件为CCD摄像头、CCD传感器、光功率计、光电探丝器或光分流器。

基于上述技术方案可知，本发明的测量方法和系统相对于现有技术至少具有如下优点：本发明的基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统基于非线性频率变换，将不可见光波长转换到可见光再进行测量，不需要专门的探测和测量装置。转换到可见光后，可以利用常用的、普通的测量距离工具、测量角度的工具或测试器件直接对光束光斑直径、发散角等各项参数进行测量，无需再借助其他成像装置，也可以在应用中更直观地观察光束覆盖待测物体的情况；从而提升测量的精度和准确度，此外，本发明的光学晶体不需要进行镀膜等特殊工艺制造，整个光路也更加简洁明了，不仅降低成本，系统更加稳定，精度和准确度更高。

附图说明

图1是本发明的一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统的示意图；

图2是本发明的一实施例中光学晶体为和频晶体和/或差频晶体时且包含第一和第二切换开关的不可见光参数测量系统的示意图；

图3是本发明的一实施例中光学晶体为和频晶体和/或差频晶体时的不可见光参数测量系统的示意图；

图4是本发明的一实施例中光学晶体为倍频晶体时的不可见光参数测量系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在现有技术中，激光雷达是一种基于激光进行探测与测距的仪器。在探测不同目标之前，需要了解激光源的参数或部分参数，比如激光源的光斑的直径、横截面分瓣、光斑大小、发射角、光场分布、束腰位置等空间参数，此时，激光源就成为了待测光源。如何准确可靠、低成本地测量待测光源的某些参数成为亟待解决的技术问题。

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统和方法，可以全部或至少部分地解决上述技术问题，所述不可见光参数测量系统和测量方法可用于激光雷达、激光源、微波源等需要测量不可见光束参数的场合。如图1所示，不可见光参数测量系统包括（本发明中不可见光束简称为不可见光或不可见光束，也称为基频光）：光学晶体，所述光学晶体能够将待测不可见光的频率转换为可见光频率。在一可选实施例中，所述光学晶体为非线性频率变换单元，该非线性频率变换单元将待测不可见光的频率转换为可见光频率。作为非线性频率变换单元的频率变换方式，其可以为和频或倍频。具体地，作为非线性频率变换单元的举例，其可以为和频晶体、差频晶体和/或倍频晶体。

在一实施例中，所述光学晶体为非线性频率变换单元。优选的，所述非线性频率变换单元为和频晶体、差频晶体和倍频晶体中的至少一种。当所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，所述入射光形成单元包括第一二向色镜单元和辅助光源；其中，所述辅助光源用于发出辅助光束，所述第一二向色镜单元用于将所述待测的不可见光束与所述辅助光束叠加来形成所述入射光；其中，所述辅助光束模场的面积和发散角均大于等于所述待测不可见光束模场的面积和发散角。

在一可选实施例中，非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，具体结构包含将两路光（包括待测不可见光束和辅助光束）进行合束的合束器，用于将辅助发生单元输出的辅助光耦合到待测光光路中；和频晶体和/或差频晶体，用于将不可见光转换为可见光；温控装置，用于对晶体进行温度控制来满足和频和/或差频相位匹配条件；在一实施例中，倍频时输入光仅为单个光源，所以无需合束器，仅包含倍频晶体和对晶体进行温度控制来满足倍频相位匹配条件的温控装置。

在一可选实施例中，当基频光（也称为不可见光束或待测光）的束腰需要位于非线性晶体中时：在和频情况下，当辅助光的束腰大小和发散角均大于待测光时，和频后产生的可见光束腰的位置和大小也都和待测光相同，此时同样通过测量可见光在不同位置的光斑半径并结合已知的波长，折射率等参数可以得到可见光在不同位置的光斑半径的双曲线表达式，再在表达式中将波长和折射率等参数替换成待测光的同类参数，便可以得到待测光光斑半径表达式，从而得出待测光的光强分布情况。

在一可选实施例中，当基频光的束腰需要位于非线性晶体中时：在倍频情况下，不可见的基频光束腰位置与倍频后的可见光束腰位置相同，束腰大小相同，通过测量可见光在不同位置的光斑半径并结合已知的波长，折射率等参数可以得到可见光在不同位置的光斑半径的双曲线表达式，此时在表达式中将波长和折射率等参数替换成不可见的基频光的同类参数，便可以得到基频光光斑半径表达式，从而得出不可见的基频光的光强分布情况。

不管是倍频还是和频，在满足上述条件时（在倍频情况下，不可见的基频光束腰位置与倍频后的可见光束腰位置相同，束腰大小相同；在和频情况下，当辅助光的束腰大小和发散角均大于待测光时，和频后产生的可见光束腰的位置和大小也都和待测光相同），变换后得到的可见光的光斑中心位置和待测光的光斑中心位置在光束传输方向任意位置都是相同的。因为通过可见光发现的光斑中心位置的分布情况和待测光是相同的，所以本发明也可以用来确认待测光的光束横截面中心位置分布，从而满足望远镜系统，大气光学等领域的应用需求。

在一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，所述不可见光参数测量系统，还包括：待测光源，所述待测光源用于发出所述不可见光束；目标是要测量所述待测光源的参数，所述待测光源的参数可以为全部参数或部分参数，所述待测光源的部分参数包括但不限于光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布、光斑大小、束腰位置等参数。在一实施例中，所述可见光的参数可以为全部参数或部分参数，所述可见光的部分参数包括其光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布等参数中的至少一种。在另一实施例中，所述待测光源的部分参数由其光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布等参数中的一种或多种的组合构成，所述可见光的部分参数由其光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布等参数中的一种或多种的组合构成。优选的，所述可见光的部分参数不包括频率和波长。在另一可选实施例中，所述可见光的部分参数包括频率、波长、光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中至少一者或多者。

在另一可选实施例中，进行非线性频率变换时，基频光的束腰需要位于非线性晶体中，基频光和出射光均为高斯光束。高斯光在空间传播时横截面光斑半径满足双曲线表达式：

。

其中，为光束在不同位置的横截面光斑半径，/>为束腰，即光束传播方向上光束半径最小的地方对应的光束半径，/>为传播方向上的坐标，/>为传播方向上束腰所在的位置，/>为瑞利距离，可得

。

其中，为光束在不同位置的横截面光斑半径，/>时光斑半径即为束腰/>，为瑞利距离

。

其中，为光束的折射率，/>为波长。

基于以上公式，通过测量多个不同位置的光斑半径，即根据取不同值时各自对应的/>，并结合波长和折射率等已知参数，便可以计算得到该光束的束腰/>和束腰所在位置/>进而得到该光束在空间传播时横截面光斑半径满足的双曲线表达式。

实际原则上还需要考虑光束在非线性晶体和空气中传输折射率不同的问题，但在应用中非线性晶体尺寸很小，进行实际应用的都是从晶体出射后在空气中传输的部分，所以非线性变换产生的光只对从晶体出射光束不同位置的光斑进行测量，并反推表达式便可以得到从晶体出射后的光束传输情况，并进而反推待测光从晶体出射以后的光束传输情况。

另外，本发明所述的不可见光参数测量方法或系统在本发明任一可选实施例或不同实施例的组合中，非线性频率变换产生的可见光的光斑中心位置和待测不可见光始终是相同的，所以根据可见光的光斑中心传输情况，便可以得到待测光的光斑中心传输情况。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，所述不可见光参数测量系统包括待测光源、辅助光源、测试器件、温控装置、所述和频晶体和/或差频晶体、第一二向色镜和第二二向色镜，并且没有所述倍频晶体和第二切换开关，能够将所述测量不可见光束的测量系统用于激光雷达的观测装置。在另一可选实施例中，所述不可见光参数测量系统包括所述倍频晶体、待测光源、测试器件、温控装置，并且没有所述和频晶体和/或差频晶体、第一二向色镜、第二二向色镜和第二切换开关，能够将所述不可见光参数测量系统用于激光雷达的观测装置。在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述不可见光参数测量系统包括待测光源、辅助光源、测试器件、温控装置、所述和频晶体和/或差频晶体和/或倍频晶体和/或第一切换开关，所述不可见光参数测量系统还包括：第二切换开关，用于将所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元从光路中去除。所述第一切换开关和所述第二切换开关配合使用，当所述第一切换开关把所述和频晶体和/或差频晶体切换成倍频晶体时，所述第二切换开关把所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元从光路中去除。反之，当所述第一切换开关把所述倍频晶体切换成和频晶体和/或差频晶体时，所述第二切换开关把所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元添加到光路中去。在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的测量系统，当所述不可见光参数测量系统光路中的光学晶体为和频晶体和/或差频晶体时，所述不可见光参数测量系统还包括：辅助发生单元，所述辅助发生单元用于发出辅助光束。所述辅助光束与所述待测不可见光束叠加合束形成所述入射光。如图2所示，在该实施例中，非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，非线性频率变换单元的非线性频率变换方式为和频和/或差频，在一可选实施例中，所述不可见光参数测量系统还包括第一切换开关切换，所述和频晶体和/或差频晶体可以通过第一切换开关切换。在一可选实施例中，如图3所示，在该实施例中，非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，需要一个辅助光束发生单元（本发明中光束也称为光，下同），其中辅助光束发生单元用于发射第二波长的辅助光，第二波长的辅助光模场和发散角大于待测光模场和发散角。优选的，辅助发生单元可为辅助光源、辅助微波源、辅助射频源等。所述入射光通过待测不可见光束与辅助光束叠加形成，本发明中由于所述辅助光束模场的面积和发散角均大于等于所述待测不可见光束模场的面积和发散角。非线性频率变换仅能在两束光空间重叠的位置发生，所以频率变换后可见光的光斑中心位置和传输方向与待测不可见光相同。

两束光在非线性频率变换单元（或者光学晶体）中遵循下述公式变换频率：

。

其中，是非线性晶体出光的光强，/>为相位匹配参数，𝐿为光学晶体长度，/>为光学晶体的有效非线性系数，c为光速，/>是真空中介电常数，/>为待测不可见光在光学晶体中的折射率，/>为辅助光相在光学晶体的折射率，/>为出射光折射率，/>为待测不可见光束的波长，/>为辅助光束的波长，/>为待测不可见光束的光强，为辅助光束的光强。

；

其中，为相位匹配参数，/>为经非线性频率变换后的出射光折射率，λ为出射光波长，/>为待测不可见光相对于光学晶体的折射率，/>为辅助光相对于光学晶体的折射率，/>为待测不可见光束的光强，/>为待测不可见光束的光强。

在一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述不可见光参数测量系统还包括：第一二向色镜单元，其特点是对待测的不可见光几乎完全透过，而对辅助光束几乎完全反射。因此，所述第一二向色镜单元用于透过所述不可见光束并形成入射光。优选的，第一二向色镜单元用于将透过的所述不可见光束与反射的所述辅助光束合束以形成入射光。光学晶体，用于接收所述入射光，并生成出射光，所述出射光包含可见光；可选的，所述光学晶体侧面没有滤光片、偏振片、双色膜等，使得光路更加简洁、光学器件更加简单可靠，制造工艺更加简单，制造成本低。测试器件，用于接收所述可见光并用于测量不可见光束的参数。在一可选实施例中，可见光的参数测量可以通过肉眼配合尺子等工具实现直接测量，所述尺子包括直尺、千分尺、六分仪、游标卡尺、螺旋测微器、量角器和/或角尺等至少一种或多种的组合。在现有测量系统中，为测量不可见光的参数，通常不会采用以尺子和/或测试器件测量可见光的方式来实现。可选的，所述不可见光的参数为部分参数或全部参数。可选的，直尺与系统分离设置或一体设置。其中分离设置指尺子与测量不可见光束参数的测量系统分开设置，人工可以拿尺子进行测量。一体设置指尺子设置在测量不可见光束的测量系统上，且可根据测量需要进行自由移动，人工可以通过尺子进行测量。优选的，使用光屏接收可见光，光屏可与尺子配合使用，直接使用尺子测量可见光的参数，比如光斑大小，覆盖范围等，从而进一步测量到不可见光的参数。使用尺子测量可见光的参数降低了系统的复杂度，同时也降低了测量难度。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述不可见光参数测量系统包括待测光源、辅助光源、测试器件、温控装置、所述和频晶体、第一二向色镜和第二二向色镜，并且没有所述倍频晶体和第二切换开关，能够将所述测量不可见光束参数的测量系统用于激光雷达的观测装置。在另一可选实施例中，所述不可见光参数测量系统包括所述倍频晶体、待测光源、测试器件、温控装置，并且没有所述和频晶体、第一二向色镜、第二二向色镜和第二切换开关，能够将所述测量不可见光束参数的测量系统用于激光雷达的观测装置。在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数测量系统，所述不可见光参数测量系统包括待测光源、辅助光源、测试器件、温控装置、所述和频晶体和/或差频晶体和/或倍频晶体和/或第一切换开关，所述不可见光参数测量系统还包括：第二切换开关，用于将所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元从光路中去除。所述第一切换开关和所述第二切换开关配合使用，当所述第一切换开关把所述和频晶体和/或差频晶体切换成倍频晶体时，所述第二切换开关把所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元从光路中去除。反之，当所述第一切换开关把所述倍频晶体切换成和频晶体和/或差频晶体时，所述第二切换开关把所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元添加到光路中去。在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数测量系统，所述不可见光参数测量系统还包括：第一切换开关，用于切换光路中的和频晶体和/或差频晶体和/或倍频晶体。在一实施例中，根据测量要求，第一切换开关使得在同一时间所述光路中仅和频晶体、差频晶体和/或倍频晶体任一种。在另一实施例中，第一切换开关使得在同一时间所述光路中前后存在和频晶体、差频晶体和/或倍频晶体任两种或多种的组合，即前面晶体的出射光作为后面晶体的入射光。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述第一二向色镜单元用于反射所述辅助光束并与所述不可见光束叠加合成入射光；其中，所述辅助光束模场的面积和发散角均大于等于所述待测不可见光束模场的面积和发散角。

在另一可选实施例中，本发明提供的不可见光参数测量系统还包括：第二二向色镜单元，用于在测量所述可见光的参数之前，将出射光中的辅助光束去除。优选的，第二二向色镜单元将出射光中的辅助光束反射走，同时，出射光中的其余部分进行透射。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元分别位于所述光学晶体相对两侧且位于同一水平面上；所述第一二向色镜单元与水平面上夹角为A，所述第二二向色镜单元与水平面上夹角为B，A和B均在[0，π/2]之间取值。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，所述测试器件为普通的能测量可见光的CCD摄像头。可选的，也可用可见光的测试器件对光斑大小和不同位置等参数进行自动测量。在另一可选实施例中，可见光的参数测量可以通过肉眼配合尺子等工具实现人工直接测量或自动测量。优选的，可以通过自动控制系统控制尺子对可见光实现自动测量，包括但不限于自动对可见光的光斑位置进行定位、测量可见光的参数等。可选的，直接用尺子或游标卡尺等对光斑大小进行测量，测量不同位置光斑大小并记录位置间隔可对发散角进行测量。优选的，测量可见光的参数包括但不限于光斑大小、覆盖范围和不同位置等参数，还包括其他可以测量的参数。可选的，直尺与系统分离设置或一体设置。其中分离设置指尺子与测量不可见光束参数的测量系统分开设置，人工可以拿尺子进行测量。一体设置指尺子设置在测量不可见光束参数的测量系统上，且可根据测量需要自由移动，人工可以通过尺子进行测量。优选的，使用光屏接收可见光，光屏可与尺子配合使用，直接使用尺子测量可见光的参数，比如光斑大小，覆盖范围等，从而进一步测量到不可见光的参数。使用尺子测量可见光的参数降低了系统的复杂度，同时也降低了测量难度。可选的，所述测试器件为可见光光电探测器，包括但不限于可见光的CCD传感器、CCD摄像头、光功率计、光电探丝器和光分流器等。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，还包括：

温控装置，用于控制光学晶体的温度。如表1所示，表1给出了晶体温度与和频后出光功率的关系映射表。其中，和频晶体：待测光波长为1064nm，功率为10W，辅助光波长为1550nm，功率为100mW，晶体类型为PPLN,长度40mm，和频后波长为633nm。

表1

在一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的测量系统，当光路中的光学晶体为倍频晶体时，所述入射光由所述待测不可见光束组成。如图4所示，在该实施例中，非线性频率变换单元为倍频晶体，当变换方式为倍频时，输入光仅有待测不可见光，倍频后的可见光的空间参数（光斑大小、发射角、束腰位置，本发明中的这些参数举例均是不完全举例，上述参数均可包含在光束的部分参数中）应该与待测不可见光相同。在另一可选实施例中，本发明提供的不可见光参数测量系统，还包括：第二切换开关，用于将所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元从光路中去除。让待测不可见光直接作为入射光入射光学晶体。优选的，所述光学晶体为倍频晶体。如表2所示，表2给出了晶体温度与倍频后出光功率的关系映射表。倍频：待测不可见光波长为1064nm，功率为10000mW，晶体类型为PPLN,长度为 40mm，倍频时仅用低转换效率的温度即可。

表2

在一可选实施例中，本发明提供了一种测量不可见光束参数的方法，所述方法包括：由不可见光束形成入射光，所述入射光入射光学晶体；所述光学晶体将所述入射光转换为出射光；所述出射光包含可见光，测量所述可见光的参数；其中，所述可见光的光斑中心位置和待测不可见光的光斑中心位置始终相同。在另一可选实施例中，通过测量得到的所述可见光的参数反推获得所述待测不可见光束的参数。在另一可选实施例中，所述可见光的部分参数与所述待测不可见光束的部分参数一致。

作为本发明的基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法和系统的一种应用方式，将其用于激光雷达的观测装置。如常见的1064nm激光雷达，数十瓦大功率1064nm激光往天上打，但无法直接判断远距离时1064nm激光的空间分布情况，此时使用本发明提供的测量不可见光束参数的装置，在发射前加入和频晶体和低功率大模场和发散角的1550nm激光，使得少部分1064nm激光与1550nm激光和频到633nm，变成可见光，此时用人眼或常规成像系统便可观察到633nm激光在高空的分布情况，也等同于1064nm激光在高空的分布情况。此处的高空指位于出射光的光路前，可以方便拦截出射光的位置。所述拦截出射光是指用白纸或人眼或可见光的测试器件接收出射光中的可见光。其中，为部分1064nm激光与1550nm激光和频道633nm成为可见光，而未发生和频的大部分1064nm激光则是继续满足激光雷达应用需求。具体转换效率可以通过控制晶体温度来实现。用于大气探测系统，可用于探测1064nm波长的大气水平能见度和1064nm波长的大气气溶胶后向散射系数。可以探测1064nm大气透过率和水平能见度和1064nm波长的大气气溶胶后向散射系数，边界层高度和卷云的云底和云峰高度。测量分布情况后可以了解激光雷达光源具体照射的位置，从而提升测量精度和准确性。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，所述光学晶体采用非线性频率变换单元。优选的，非线性频率变换单元采用和频晶体、差频晶体、倍频晶体中至少一种或多种。可选的，所述光学晶体侧面没有滤光片、偏振片、双色膜等，使得光学器件更加简单可靠，制造成本低。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，当光路中的所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，所述入射光通过待测不可见光束与辅助光束叠加形成，所述辅助光束模场的面积和发散角均大于等于所述待测不可见光束模场的面积和发散角。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，当光路中的所述非线性频率变换单元为倍频晶体时，所述入射光由所述待测不可见光束组成。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，采用测试器件接收所述可见光。优选的，所述测试器件采用CCD摄像头。在一可选实施例中，可见光的参数测量可以通过肉眼配合尺子等工具实现直接测量。可选的，直尺与系统分离设置或一体设置。其中分离设置指尺子与测量不可见光束的测量系统分开设置，人工可以拿尺子进行测量。一体设置指尺子设置在测量不可见光束参数的测量系统上，且可根据测量需要自由移动，人工可以通过尺子进行测量。优选的，使用光屏接收可见光，直接使用尺子测量可见光的参数，比如光斑大小，覆盖范围等，从而进一步测量到不可见光的参数。使用尺子测量可见光的参数降低了系统的复杂度，同时也降低了测量难度。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，具体通过测量可见光的参数来获取不可见光束的参数。所述可见光的参数可以通过本发明中的测试器件和/或尺子测量，包括但不限于直尺、游标卡尺等常用测量工具。使用尺子等常用工具测量可见光的参数，从而进一步测量到不可见光的参数，降低了系统的复杂度，同时也降低了测量难度。所述可见光的参数可以为全部参数或部分参数，优选的，所述可见光的部分参数包括光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中至少一者。优选的，所述可见光的部分参数不包括频率和波长。在另一可选实施例中，所述可见光的部分参数包括频率、波长、光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中至少一者或多者。在一实施例中，所述不可见光的参数可以为全部参数或部分参数，优选的，所述不可见光的部分参数包括不可见光光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中至少一者。

在另一可选实施例中，本发明提供了一种基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法，在测量所述可见光的参数之前，将出射光中的辅助光束去除。

另外，本发明所述的基于非线性频率变换的测量不可见光束参数的方法、系统在本发明任一可选实施例或不同实施例的组合中，非线性频率变换产生的可见光的光斑中心位置和待测不可见光的光斑中心始终是相同的，所以根据可见光的光斑中心传输情况，便可以得到待测光的光斑中心传输情况，即通过测量可见光的参数从而测量不可见光的参数。优选的，所述参数为部分参数。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

形成包含待测的不可见光束的入射光，并使其入射一光学晶体，所述光学晶体包含非线性频率变换单元；所述入射光穿过所述光学晶体转换为出射光；

测量所述出射光中包含的可见光的参数，基于所述可见光的参数获得所述不可见光的参数；其中，所述可见光的光斑中心位置和待测的不可见光束的光斑中心位置始终相同；

所述非线性频率变换单元为和频晶体、差频晶体、倍频晶体中的至少一种；

当所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，使用待测的不可见光束与辅助光束通过二向色镜单元叠加来形成所述入射光，所述辅助光束的模场的面积和发散角均大于等于所述待测的不可见光束的模场的面积和发散角；

当所述非线性频率变换单元为倍频晶体时，由所述待测的不可见光束组成所述入射光，倍频时仅用低转换效率的温度，所述低转换效率的温度定义为使得倍频时的转换效率不高于21%的温度。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量可见光的参数的步骤中，直接使用尺子测量和/或使用测试器件来接收所述可见光，所述测试器件为CCD摄像头、CCD传感器、光功率计、光电探丝器和光分流器。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述可见光的参数包括光斑的直径、发散角大小、横截面分瓣、光场分布中的至少之一。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在测量可见光的参数之前，还包括将出射光中的辅助光束去除的步骤；和/或

在测量可见光的参数之前，还包括通过温控装置对光学晶体进行温度控制来满足和频相位匹配条件和/或差频相位匹配条件，或者倍频相位匹配条件的控制步骤。

5.一种基于非线性频率变换的不可见光参数测量系统，其特征在于，包括：

待测光源，用于发出待测的不可见光束；

入射光形成单元，用于形成包含所述待测的不可见光束的入射光；

光学晶体，所述光学晶体包含非线性频率变换单元，其中所述入射光入射所述光学晶体，并转换成出射光；

所述非线性频率变换单元为和频晶体、差频晶体和倍频晶体中的至少一种；

当所述非线性频率变换单元为和频晶体和/或差频晶体时，所述入射光形成单元包括第一二向色镜单元和辅助光源；其中，所述辅助光源用于发出辅助光束，所述第一二向色镜单元用于将所述待测的不可见光束与所述辅助光束叠加来形成所述入射光；其中，所述辅助光束的模场的面积和发散角均大于等于所述待测的不可见光束的模场的面积和发散角；

当所述非线性频率变换单元为倍频晶体时，所述入射光形成单元直接将所述待测的不可见光束作为所述入射光，倍频时仅用低转换效率的温度，所述低转换效率的温度定义为使得倍频时的转换效率不高于21%的温度；

测试器件和/或尺子，用于测量所述出射光中包含的可见光的参数，基于所述可见光的参数获得所述不可见光的参数，其中，所述可见光的光斑中心位置和待测的不可见光束的光斑中心位置始终相同。

6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：

第二二向色镜单元，用于在测量出射光中包含的可见光的参数之前，将出射光中的辅助光束去除；

温控装置，用于控制光学晶体的温度，以满足和频、差频或者倍频的相位匹配条件。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述第一二向色镜单元和所述第二二向色镜单元分别位于所述光学晶体相对两侧且位于同一水平面上；所述第一二向色镜单元与水平面上夹角为A，所述第二二向色镜单元与水平面上夹角为B，A和B均在[0，π/2]之间取值。

8.如权利要求7所述的测量系统，其特征在于，当包括测试器件时，所述测试器件为CCD摄像头、CCD传感器、光功率计、光电探丝器或光分流器。