[发明专利]斜程大气对超连续谱光源光束扩展影响的分析方法

说明书

技术领域

本发明属于激光大气传输领域，特别涉及一种通过研究不同参数的单色光在大气中传输后的光强分布，采用非相干合成的方式来确定斜程大气对超连续谱光源光束扩展影响的分析方法。

背景技术

超连续谱光源是一种新型的宽谱光源，具有传统激光相干性好、亮度高、方向性好等优点，同时也具有很宽的光谱（通常大于1THz）。近几年来，超连续谱光源的光谱范围不断扩展，输出功率水平也不断提高。利用光子晶体光纤（PCF）产生的可见光超连续谱光源最高功率约90W，在普通光纤放大器中产生近红外超连续谱光源最高功率约200W，而在中红外光纤超连续谱光源方面，利用非石英玻璃单模光纤得到的最高功率约为10W。

随着输出功率的不断提高，超连续谱光源具有的独特优势使其在能量传输、目标照明、激光通信、激光雷达和大气科学等领域中具有广泛的应用，而地球大气不可避免地会影响超连续谱光源的光束扩展，所以分析斜程大气的影响显得尤为重要。

与常规的单色或准单色激光光源不同的是，超连续谱光源具有很宽的光谱，其时间相干性较差，这种特性与有一定谱宽的多色光类似。针对这种光谱很宽的超连续谱光源在大气传输中传输的光束扩展特性研究，目前还没有一种有效的分析方法。只有李志鸿等人在假定超连续谱光源在整个波段范围内的光束质量相同的条件下，简单分析了大气湍流对超连续谱的Strehl比的影响[李志鸿，周朴，曹涧秋，韩凯，侯静，许晓军，刘泽金.大气湍流对超连续谱Strehl比影响的数值模拟[C].第九届全国光电技术学术交流会,中国北京，2010年5月]。但这种方法没有考虑超连续谱光源不同波长成分的相对光谱强度、光束质量、腰斑半径等参数的差异；另外也没有分析斜程大气对超连续谱光源的折射和消光影响，不能为实际应用提供参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种斜程大气对超连续谱光源光束扩展影响的分析方法，采用该方法可以考虑超连续谱光源功率谱密度、光束质量M²(λ)和束腰半径在不同波长处不同的特性，以及给出斜程大气对超连续谱光源的折射和消光影响，能够准确得到超连续谱光源传输后光束扩展特性。

本发明采用的技术方案是：

一种斜程大气对超连续谱光源光束扩展影响的分析方法，包括如下步骤：

S1.获取超连续谱光源在不同波长处的功率谱密度P₀(λ)、光束质量M²(λ)和腰斑半径R₀(λ)的数据；

S2.将所述超连续谱光源等同于多个不同波长的单色光通过非相干合成得到的光源，其中每个单色光的功率谱密度P₀(λ)、光束质量M²(λ)和腰斑半径R₀(λ)由步骤S1得到；

S3.计算每个单色光受大气折射、消光和湍流影响后的光束束宽和光强分布；

S4.根据步骤S3的计算结果，计算超连续谱光源经过斜程大气传输后的光束束宽和光强分布。

进一步地，所述步骤S1中超连续谱光源的功率谱密度P₀(λ)从光源制造公司获取或者利用光谱仪测量得到；光束质量M²(λ)和腰斑半径R₀(λ)是通过光源制造公司获取或者利用光束质量分析仪测量得到。

进一步地，所述步骤S2中是根据光谱仪的测量精度和所述超连续谱光源的波长范围确定不同波长的单色光的波长和个数。

进一步地，所述步骤S3中计算每个单色光受大气折射、消光和湍流影响后的光束束宽和光强分布的步骤为：

S31.计算斜程大气对波长为λ的单色光的光束偏折角θ(λ)；

S32.计算不同波长单色光在传输距离为z时的偏折距离x₀(z,λ)和y₀(z,λ)；

S33.计算不同波长单色光的大气透过率T(z,λ)；

S34.计算不同波长单色光传输后的光束束宽R(z,λ)；

S35.计算波长为λ的单色光在z处的长曝光光强分布P_λ(x,y,z)。

进一步地，所述步骤S4中超连续谱光源经过斜程大气传输后的光束束宽和光强分布的计算方法为：

S41.计算超连续谱光源在传输距离z处的光强I(x,y,z)；

S42.计算超连续谱光源传输后光束的质心和；

S43.计算强度二阶矩和；

S44.计算超连续谱光源传输后的光束束宽w_x和w_y。