[发明专利]一种三环变迹镜及其制备方法和其测量等晕角的方法

说明书

技术领域

本发明属于大气光学技术领域，涉及一种三环变迹镜及其制备方法和其测量等晕角的方法。

背景技术

光波在大气中传输时，由于大气湍流的影响，光波的波面会发生畸变、强度会产生起伏。对于包括激光在内的光波在实际大气中的传输，大气湍流导致光束传输方向的随机偏折、光束的扩展以及强度的随机起伏，从而影响激光等光学工程应用。

对于地基天文光学观测，当利用大口径的光学接收望远镜对空间的观测目标进行成像时，由于大气湍流引起空间观测目标所发出光波波面产生畸变，从而导致光学望远镜的分辨率降低，影响观测效果。一般而言，当没有大气湍流的影响时，口径为D的光学望远镜的分辨率为1.22λ/D，其中λ为所接收光波波长；而对于实际情况，总会存在大气湍流的影响，此时，光学望远镜的分辨率会降低至1.22λ/r₀，其中r₀为描述整层大气湍流特征的参数—大气相干长度。目前用于天文光学观测的光学望远镜孔径大致均在1m以上，而整层大气相干长度的数值一般在数厘米至十数厘米的范围，但是，由于大气湍流的影响，在没有自适应光学校正的情况下，大口径望远镜的分辨率与数十厘米口径的望远镜相当。所以，大气湍流对大口径的光学望远镜成像分辨率有着较为严重的限制。

为了改善激光等光波在大气中的传输性能、提高大口径望远镜的分辨率，可以利用自适应光学校正对大气湍流引起的波面相差进行校正。而自适应光学校正时，如果信标光波与校正光波的传输方向不一致，例如存在一定的夹角时，则由于信标光波的波面相差并不能够完全代表需要校正光路上的湍流特征，所以，利用自适应光学进行校正时会存在一定的波面残差，而由此导致的波面残差与信标光波和校正光波的传输方向的夹角相关。

等晕角表示波面相干的最大角度，当信标光波与校正光波传输方向的夹角大于等晕角时，则信标光波的波面相差与需要校正的光路上的大气湍流特征完全不相关，此时，利用自适应光学不能够有效对大气湍流的影响进行校正。所以，等晕角是对大气湍流效应进行自适应光学校正时所需要考虑的重要参数之一。

如果沿光路上z处的大气湍流强度为C_n²(z)，则等晕角θ₀为

其中k=2π/λ为光波波数，λ是光波波长；为天顶角。由上式可以看出，等晕角θ₀为大气湍流强度C_n²(z)的加权函数，其中权函数为z^5/3。而利用望远镜所接收的星光强度归一化起伏方差σ_s²为

其中A＝2π∫ρP(ρ)dρ即为圆环透光面积。由以上两个公式可以看出，如果能够使得公式(2)中的加权函数W(z)=cz^5/3，则可以利用所测量的星光强度起伏方差σ_s²反演给出等晕角。

等晕角测量仪主要应用于大气光学参数等晕角的测量，而其关键测量器件之一为变迹镜。自上世纪70年代末，Loos和Hogge提出变迹镜的概念后，Walters在1983年设计出了单孔型变迹镜，并在1985年将其完善，设计了双环结构的变迹镜，提高了等晕角的测量精度。1988年美国空军在林肯试验室成功设计了三环结构的变迹镜，其测量结果在弱湍流条件下可以达到很高的精度。国内开展该领域研究工作的单位主要包括中科院国家天文台和安徽光机所，其技术水平大致相当于美国1980s水平，仍然使用单孔径变迹镜，处于较为初级的阶段，测量精度较低，不能够完全满足天文光学站址选择以及光波在实际湍流大气中传输时自适应光学补偿效果评估的需要。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种三环变迹镜及其制备方法和其测量等晕角的方法，能够在所有高度很好的模拟孔径滤波函数，实现对等晕角的高精度测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种三环变迹镜，由同心的、交替排列的不透光圆环和透光圆环组成，从内到外透光圆环依次为内环、中间环和外环，其中内环最小半径为37.389mm，最大半径为43.840mm；中间环最小半径为62.890mm，最大半径为69.240mm；外环最小半径为81.940mm，最大半径为101.600mm。

该三环变迹镜模拟孔径滤波函数W(z)≡cz^5/3时，其孔径滤波函数系数c=8.847e-17m⁴。