激光远场大气稳定传输的光场调控技术研究.pdf
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1、第38 卷第3期2023年6 月综述光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONVol.38,No.3June,2023激光远场大气稳定传输的光场调控技术研究侯瑞鹏,孟凡斌,杨凯,朱云晨(中国电子科技集团公司光电研究院,天津)摘要:大部分激光器产生的激光为相干光束,在理想环境下,激光到达远场后其相干特性与出射时保持一致,且光强分布均匀,但由于大气环境中湍流的存在,激光到达远场后发生相互干涉,产生振幅起伏,即光强闪烁现象。文中主要从多个角度分析该现象形成的原因,并主要从相位、偏振态两个方面出发,提出相应的解决措施,并完成验证实验。实验结果表明,所提出的解决
2、措施可实现较好的分布效果;又从理论方面提出了光源光束整形措施,提升激光远场光斑分布的性能;最后结合实际应用,分析了高空相对于地面大气流的区别,以及激光传输角度对激光远场传输的影响。从实际应用方面,涵盖针对激光远场大气传输能量稳定性的多项解决方案,用于指导启发同领域内相关技术的攻关,具体问题可根据文中原理内容提出具体实现方式。关键词:激光远场大气传输能量稳定性;激光远场光斑分布;大气瑞流;光强闪烁现象中图分类号:TN249Light Field Control Technology for Stable Laser Transmission(Academy of Opto-Electronics
3、,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China)Abstract:The laser generated by most lasers is a coherent beam.In an ideal environment,the coherence char-acteristics of the laser after it reaches the far field are consistent with that of the laser when it exits,and the light
4、in-tensity distribution is uniform.However,due to the existence of turbulence in the atmospheric environment,the in-terference occurs after the laser reaches the far field,resulting in amplitude fluctuation,that is,the phenomenon oflight intensity flicker.The causes of the phenomenon are analyzed fr
5、om many angles,and the corresponding solu-tions are put forward mainly from two aspects of phase and polarization state,and the verification experiments arecompleted.Experimental results show that the proposed solutions can achieve the corresponding ideal effect.Thebeam shaping measures of light sou
6、rce are proposed theoretically to improve the performance of far-field spot distri-bution.Finally,the difference between the atmospheric turbulence at high altitude and that at ground level and theinfluence of laser transmission angle on laser far-field transmission are analyzed.A number of solution
7、s for the sta-bility of laser far-field atmospheric transmission energy are tried to cover from the practical application aspect,which is used to guide and inspire the research of related technologies in the same field.Specific problems can beproposed according to the principle content.Key words:las
8、er far-field atmospheric transmission energy stability;laser far-field spot distribution;atmo-spheric turbulence;light intensity scintillation phenomenon在激光远场应用中,远场光斑强度分布的均匀性非常重要,理想条件下,激光到达远场目标处光强分布均匀。然而,对流层大气受太阳辐射影响,局部大气温度和压强产生随机波动起伏,又由于空收稿日期:2 0 2 2-10-2 8文献标识码:Ain Far Field AtmosphereHOU Ruipeng,
9、MENG Fanbin,YANG Kai,ZHU Yunchen文章编号:16 7 3-12 55(2 0 2 3)-0 3-0 0 2 2-0 8气中冷热空气的交换,导致大气结构中的压强、密度、温度都会随机变化,这些随机起伏变化会导致大气折射率随机起伏,形成一种极不规则的混乱流状态,从而产生大气流。大气流的形成,对第3期于空间光学而言,就是引起大气折射率随机变化的原因,大气瑞流会导致传输的激光强度和波前相位发生随机起伏,由此产生振幅起伏(光强闪烁)、相位起伏、波束扩展、波束漂移、退相干和退偏振等一系列流效应。大气介质可分为混浊大气介质和流大气介质,而其中流介质导致光强起伏(闪烁)、相位起伏(
10、包括波前倾斜)和到达角起伏(光传播方向抖动)图像扭曲和变形,具有较强的时间变化特征-3。大气湍流是普遍存在的一种常规物理现象,大气流造成激光束随机抖动、光斑弥散、破碎、能量集中度(作用在一定面积上的能量密度)大大降低。大气湍流比大气衰减的影响更普遍、更严重,大气端流在任何时间、任何地方始终存在。与常规认知相反,晴好天气下大气瑞流往往更强,阴云密布的天气下,水平能见度可能很高,大气瑞流反而较弱,如果激光在云层上传输,效果有可能会很好。一般而言,造成激光功率到靶不稳定的因素包括激光束功率波动、激光束指向波动、激光传输路径杂散光干扰、大气瑞流效应影响。通过分析上述几点原因,前几项是可以通过常规算法或
11、硬件设计措施来弥补,而从物理形成机理分析,该现象主要还是由于大气端流效应所致,因此,文中着重针对该方面,做了大量研究、仿真以及试验,力图从工程应用角度去弱化、解决该现象,从而指导实际工程应用。当激光信号的光斑尺寸大于瑞流旋涡时,光斑截面内会包括多个不同尺度的流旋涡,不同尺度的大气涡旋对经过它的那一部分光束进行独立的散射、衍射作用,使得在接收器平面的激光随机出现相互干涉的现象,导致传输的激光信号强度在时间和空间上产生随机波动,激光达到远场时光强呈散斑分布,且随时间出现忽明忽暗的效应,即光强闪烁效应5,如图1。激光器大气瑞流图1激光经过大气端流后的“闪速”效应侯瑞鹏等:激光远场大气稳定传输的光场调
12、控技术研究靶平面23受小尺度流旋涡的衍射作用影响会产生光束扩展效应,使得接收平面上的激光光斑半径或面积发生增大,接收的激光信号强度减弱;激光受到大尺度端流旋涡的折射效应作用影响产生漂移效应,激光漂移会在探测器表面形成光斑噪声,使得光斑偏离探测器的检测范围,产生偏移误差4。若要对大气湍流的影响进行全面的校正,一方面考虑相位、偏振态和振幅三者的变化,进行场校正,而幅值的调制通过改变电流大小即可实现;另一方面,通过光源自身,设计具有更强大气传播鲁棒性的激光(例如艾利涡旋光束、贝塞尔高斯涡旋光束、径向偏振涡旋光束以及拉盖尔-高斯涡旋光束等),进行激光源矫正。常规自适应光学技术目前仅是进行相位校正,多应
13、用天文观测领域,而涉及激光通信、激光干扰、激光诱骗等领域,目前仍缺乏一种有效的校正手段。上述湍流现象将直接影响激光应用系统的设计指标,无法满足使用需求。尤其是在远场应用场景下,其表现出来的不稳定性更为明显。研究激光大气端流效应抑制技术的前提需要了解激光大气瑞流传输机理。通过对激光传输路径关键参数进行调控,增强其大气端流通道传输质量,保持光强分布稳定,对激光远场应用而言具有重要价值。1基于光场相位调控的大气稳定传输研究光波在瑞流大气中的相干性退化是一切激光能量分布宏观物理特性改变的本质原因,提出关于相位调制的场控方式是解决该问题的有利手段,多束部分相干光在抑制光强闪烁方面有着较好的改善作用,下述
14、便从该角度出发,从两个方面实现多束部分相干光,并观测其远场能量分布情况。1.1高频低幅震动实现多束部分相干光大气由于受到温度、湿度、压强、风速等的影响,折射率在时间空间上随机变化而处于一种随机、连续的变化状态(6-7 1,实验中,采用随机相位屏来模拟真实大气环境,在激光器出光口处增设快速反射镜(快反),如图2 所示。可在极小的时间分辨率内,通过快反实现高频低幅震动,实现多束部分相干光的输出。整套设备来模拟激光能量远场分布24情况。实验中,激光通过随机相位屏后,落在某一点处,通过高分辨率相机来提取其能量分布情况。相机快速反射锁图2 快速反射机构实现多束部分相干光实验平台(室内)光电技术应用在实验
15、中,通过观察是否加入快反,以及改变快反调制条件,大致分为6 组实验,实验中相机频率为50 Hz,每组实验采集50 0 帧图像,提取每组图像成像像素灰度值,做离散度分析处理,实验结果以及效果如图3所示。超机相位屏通过以上室内原理实验表明,加入快反调制后,激光落靶能量分布会根据调制方式不同而呈现不同的离散情况,但双轴异向异频调节效果相比无调制、单轴、双轴异向同频调节要好得多。第38 卷(1)无调制漏流光斑:离散度=17.8(2)X轴向6 0 0 Hz调制:离散度=16.786(3)Y 轴向6 0 0 Hz调制:离散度=19.779(4)X轴向2 0 0 Hz调制+Y轴向2 0 0 Hz调制:离散度
16、=2 0.19由于室内室外试验数据采集角度不一致,室外试验是通过录制激光落靶相机入瞳面积内光斑情况来观察能量变化,录制总时长为30 s,共记录1500帧数据,设计图像灰度值分析工具,对视频内的每一帧图像进行灰度值分析,由于本次实验为静态实验,分析原则为采用以光斑中心点为圆心,5个配图像灰度值分析工具文件C赖图像灰度赖图像目标像素点坐标为:(32 0,333)计算半径像素个数:3.输出模式:输出圆区域均值(较惯)(5)X轴向40 0 Hz调制+Y轴向2 0 0 Hz调制:离散度=7.7 7 8图3速反射机构实现多束部分相干光远场成像情况(C:AUsers/hrp/Desktop/吊舱/外场试验/
17、可见光实验方案/可将光实验数据分析2 0 2 2 0 32 5/5m5.avi)50:01976.0视频时长()39.520.02顿间附(a)(040,480)航大小目标缘素目标像素X-320目标半经像素个数输出圈区城均值(较佛)对比显示目标赖数对比航图4图像灰度值分析工具(6)X轴向2 0 0 Hz调制+Y轴向40 0 Hz调制:离散度g=7.001像素值为半径的方法对数据进行均值处理,图4所示为图像灰度值分析工具处理界面。图5反映了室外通过加入快反调制前后的灰度值变化情况。从图中可直观分析出,在加入快反双轴异向同频调制后,其能量分布离散度要比不加调制效果好很多。视频信息快速率(frame/
18、s)口Y-3确认认第二事北部第3期侯瑞鹏等:激光远场大气稳定传输的光场调控技术研究3002502001501005025一2 0 ms积分CRAY标准差=32.654 101 25一2 0 ms积分+快反CRAY标准差=24.662.996.6003Frames图5快速反射机构双轴异向异频调制效果数据分析1.2匀化镜实现多束部分相干光针对激光能量远场分布不均匀问题,分析其根本原因为激光为相干光,而相干光在经过大气传输后,落在靶平面发生相互干涉现象,由此产生光斑“闪速”现象8-12 。匀化镜采用微透镜列阵是由通光孔径为微米级及浮雕深度为纳米级的透镜组成的列阵,列阵单元尺寸小、集成度高,可将单束相
19、干光转换为多束部分相干光,将匀化镜搭载于高速选装的电机上,同样可在极小的时间分辨率内,实现多束部分相干光的输出。匀化镜方法虽然可以达到激光能量远场分布均匀的目的,但该方法对激光自身的能量衰减较为严重,可适用于一些对于能量要求不高的应用工况。图6 所示为激光能量远场分布图。(a)激光不经任何处理到达远场分布效果2基于光场偏振调控的大气稳定传输研究2.1偏振态多样性光束能力分析偏振是光波的一个基本物理参数,代表了光波的矢量特性,决定了光与许多物质的相互作用方式3。研究表明,相对于单一矢量光束,通过各种调制手段形成的基于偏振态多样性的多状态矢量光束,在大气传输过程中,具有较强的稳定特性。原因在于基于
20、偏振态多样性的多状态矢量光束,在一定程度上可以抵消由于相干光在远场相互干涉形成的闪速效应,更趋向于自然光状态。常见的LED或SLED等光源只能发射部分偏振光,而在远场看来,已经没有明显的“闪速”现象。而阳光等自然光和(b)激光经过子透镜尺度为2mm匀化镜后到达远场分布效果图6 激光能量远场分布图白炽灯发的光一般是非偏振光,偏振态和相位差随机快速变化,同样没有闪速现象。而激光是偏振光,电场振荡方向稳定,并且X和Y两个分量的相位差固定14-15,闪速现象严重。整个电磁波所跨波长范围几乎有2 0 个量级,光只是其中极窄的一部分,电磁波可分解为电场和磁场,且其矢量互相垂直,而且传播方向一致,电场可分解
21、为X和Y两个分量,因此只看电场矢量就能确定光的偏振16-19。椭圆偏振是最基本的偏振态。此时两个电场分量具有不等于/2整数倍的相位差,但振幅可以相同,也可以不同。如果朝光束观测平面(相当于固定z坐标)看,随时间变化的电场矢量将画出一个(c)激光经过子透镜尺度为0.015mm匀化镜后到达远场分布效果26椭圆,如图7(a)所示;当两个电场分量没有相位差,电场矢量在同一个平面中振荡,并在观测平面中画出一段直线。如果两个分量的振幅相同,就形成线光电技术应用偏振光,如图7(b)所示;当两个电场分量具有90 相位差和相同的振幅,电场矢量在观测平面中画出一个圆2 0-2 1,如图 7(c)所示。8=01.0
22、个0.00.5-0.5U-1.0J第38 卷8=900270600.00.5-0.5J0-1.0-1.04Ex-Ey7060Ey(a)椭圆偏振光2.2基基于偏振态多样性的多状态矢量光束实现针对偏振态多样性可提升激光远场能量分布稳定性的特性,设计相关表征激光偏振态多样性的实验方案,一般情况下,常规激光器出射的激光为单一偏振态的光,而通常所看到的自然光以及灯泡发出来的光,均多相位、多样性或者具有随机性的线偏振光2 ,因此在远场观测时,并未发现其有“光斑闪速 现象,因此在前述多相位调制设计的基础上,提出偏振态多样性的线偏振光,来观察其远场能量分布情况。在激光器出光口处,设计偏振态多样性调制设备,通过
23、高速电机带动转盘旋转,在转盘轮廓内,均匀最大限制的分布不同光轴的偏振片+二分之一波片制作的偏振方向旋转器,该旋转器原理为若入射线偏振光的振动方向与波片快轴(或慢轴)夹角为,则出射线偏振光的振动方向向着快轴(或慢轴)的方向将转过2 角度。随着电机的旋转,在激光器出光口处可实现与偏振片相同光轴不同角度的高频出射,在极小的时间分辨率内,可实现多状态偏振光的输出,实现偏振态多样性调制(见图8)。旋转方向-电机(a)偏振态多样性旋转轮原理图图8 偏振态多样性旋转轮原理图及偏振态多样性旋转轮实物(b)线偏振光图7 椭圆偏振光和线偏振光及圆偏振光结合上述原理以及实验方法,实验室利用随机相位屏模拟远距离内大气
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- 激光 大气 稳定 传输 调控 技术研究
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