[发明专利]一种利用球面镜反射测量光斑漂移和光束抖动的方法

说明书

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，涉及一种测量系统，具体涉及一种利用球面镜反射测量光斑漂移和光束抖动的方法。

背景技术

在大气激光通信中，大气信道的特性对通信系统的影响是非常重要的，由于大气湍流中大气折射率不断起伏，在激光传输过程中，会使光波参量发生随机变化，造成通信过程中光斑的漂移、强度起伏以及光束扩展等现象。为了对这些现象进行了解、分析，可以建立大气湍流效应模型，利用特定的实验装置研究大气湍流对激光束传输的影响。然而，现有的测量方法得到的光束扩展是微小量，不便于对大气湍流中的光束扩展和光斑漂移进行测量分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用球面镜反射测量光斑漂移和光束抖动的方法，能对大气湍流中的光束扩展和光斑漂移进行测量分析。

本发明所采用的技术方案是，一种利用球面镜反射测量光斑漂移和光束抖动的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用激光聚焦系统把激光束汇聚成微小的光点；

步骤2、利用扩束系统对步骤1中激光聚焦系统输出的光束实行扩束；

步骤3、为了改善光束的方向性，压缩经步骤2扩束后的激光束的发散角，构建激光准直系统；

步骤4、将反射定律视为折射定律在n＝-n′时的特殊情况，计算步骤3中光屏上形成的光斑直径；

步骤5、根据步骤4中的原理建立球面镜反射模型，将光屏上的光斑近似为椭圆，计算出球面反射得到的光斑短轴长度和长轴的长度，从而得到光斑的漂移量和光束的抖动量。

本发明的特点还在于：

在步骤2中：扩束系统为开普勒型扩束系统或伽利略型扩束系统；

开普勒型扩束系统，中间有聚焦点，加小孔光栅，使光束的高斯型光强分布的峰值部分通过，能得到受高斯型光强分布影响更小的扩展光束；

伽利略型扩束系统，它的输出仍是以光强分布的高斯型扩展光束；

开普勒型扩束系统和伽利略型扩束系统扩束前、后的光束孔径比如下：

在式(1)中：f₁′为透镜L₁的焦距，f₂′为透镜L₂的焦距；

对于激光聚焦系统发射的光束，要采用棱镜系统进行纠正后再扩束。

步骤3具体按照以下方法实施：

对于测距用的激光雷达，其发射激光束的发射角控制在5×10^-4rad以内，其光束传送1km时，扩散的直径为50cm，在距10km处为5m；若激光聚焦系统的发散角为0.0036rad，则要用角倍率为0.14的非球面柱透镜系统来压缩发散角，即为激光准直系统；

激光准直系统的角放大率按照如下算法获得：

在式(2)中：D₁是激光准直系统的入射光瞳直径，即激光光束射出时的口径；D₂是激光准直系统的出射光瞳直径；2u为光束入射到激光准直系统上的视场角，即发散角；2u′是激光准直系统出射的视场角，即被压缩后的发散角；

激光束通过激光准直系统后在光屏上形成的光斑直径如下：

D′＝D₂-2l′tanu′≈2l′u′(3)；

在式(3)中：l′为准直系统到目标的距离；

经过两次反射后光束的发散角从u变为u′。

步骤4具体按照以下方法实施：

在折射定理公式中，只要使n＝-n′，便能直接导出反射球面相应的公式，具体如下：

在式(4)中：r为球面半径，l为物方截距，l′为象方截距；

球面反射镜的成像放大率如下：

在式(5)中：β为垂轴放大率，α为轴向放大率，γ为角放大率；由式(5)可知：α为负值，当物体沿着光轴移动时，像总以相反的方向沿轴移动；在偶数次反射时，轴向放大率为正；物体处于球面反射镜的球心时，由式(4)可知：l＝l′＝r，则得到球心处的放大率为：β＝-1，α＝-1，γ＝1。

步骤5具体按照以下方法实施：

步骤5.1、计算出凹球面镜反射点P处光束半径ω_R，具体方法如下：

当一个高斯激光束在一个光学系统中时，若该光学系统的焦距f满足或则将该激光束看作平行激光束；

高斯光束在自由空间沿Z轴传播时，不同Z值处的光斑半径ω(z)按照如下算法经计算获得：