[发明专利]一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置

说明书

本发明公开了一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置包括激光器、探测器以及若干反射镜，还包括平移机构和相位屏，每个相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，各相位屏独立地由平移机构控制，在垂直于激光光束的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。本发明提供的技术方案利用微加工技术刻蚀的玻璃板制作相位屏并通过平移机构控制以实现激光大气传输的动态模拟，解决了现有技术中面临的仪器昂贵、装置复杂、分辨率低以及光衰减严重不宜传输强光的诸多问题。

技术领域

本发明涉及大气湍流光学模拟实验领域，尤其涉及一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置。

背景技术

大气湍流是大气的一种不规则随机运动，由各种尺度的旋涡连续分布叠加而成。湍流上每一点的压强、速度、温度等物理特性随机涨落，使光束在大气传输过程中的波阵面发生畸变，引起光束展宽、抖动和弯折，光束变得不稳定，对光通讯、天文观测等领域具有重要影响。目前对于激光在大气湍流中传输特性的研究成果主要集中在理论分析、数值模拟和实验测量。对于实验测量，通常需要在野外进行，通过光束在大气中的长距离传输获取相应的数据。由于野外实验极易受大气环境的影响，实验结果缺乏可重复性，难以评价实验设备和实验数据。因此，实验室内用于模拟长距离激光大气湍流传输特性的装置具有重要的价值。

现有技术中，中国专利CN 201710735764.9公开了一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器，该模拟器通过可编程的两个空间光调制器实现大气条件变化条件下的激光大气湍流传输特性的模拟，且可实现光束传播通道长度的变化。然而，该方案采用的透射型空间光调制器对光束具有较强的吸收，使得模拟的光束传播通道长度十分有限，且由于空间光调制器的调制分辨率的限制，无法模拟大像差的湍流。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，利用微加工刻蚀的非均匀相位屏以及电控平移机构，解决现有技术中以空间光调制器模拟激光大气相位畸变的光衰减和像差分辨率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置用于缩比实验模拟激光在大气湍流中的传输，包括激光器、探测器以及若干反射镜，激光从激光器发射，经若干反射镜到达探测器，形成闭合自由空间光路。该装置还包括平移结构和多个相位屏，所述多个相位屏沿所述光路依次设置使所述激光依次正入射各所述相位屏，每一个所述相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，每一个所述相位屏独立地由所述平移机构控制在垂直于入射激光的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。

优选地，所述平移机构包括多个电控平移台、一个电控柜以及一个处理器，一个所述电控平移台上固定设置一个所述相位屏，所述处理器经过电控柜控制各所述电控平移台带动各所述相位屏进行平动。

具体地，每个电控平移台包括至少两个轴线相互垂直的一维平移台，所述一维平移台包括电机、滚珠丝杆模组以及连接部件。

进一步地，所述相位屏由玻璃平板制成，所述相位屏表面由微加工工艺刻蚀形成。

优选地，所述相位屏为规则二维平面形状，相位屏尺寸为该平面形状的最大宽度，所述相位屏尺寸范围设置在30cm-60cm。

优选地，所述激光器包括扩束准直元件，使激光出射口径为所述相位屏尺寸的1％-10％。

优选地，当模拟场景为水平传输时，各所述相位屏沿所述光路等间隔设置；当模拟场景为斜程传输时，各所述相位屏沿所述光路非等间隔设置。

本发明提供的技术方案带来如下有益效果：

(1)通过电控平移台独立控制各相位屏平动，以机械的方式实现激光大气湍流传输特性的动态模拟，降低系统成本，提高系统运行稳定性，解决了空间光调制器带来的严重光衰减问题，能够模拟强光条件下的大气湍流传输特性。