一种基模高斯激光远场发散角测试方法及机构

1.本发明涉及激光通信系统测试技术领域，尤其涉及一种基摸高斯激光远场发散角测试方法及机构。


背景技术：

2.在空间激光通信领域中，信号光通常为基模高斯激光，其远场发散角是非常重要的一个参数：远场发散角小，则到达接收端的能量更为集中，有利于提高通信速率，增大通信距离，但会降低激光通信链路对指向误差和大气湍流所造成光束抖动的鲁棒性；远场发散角大，则到达接收端的能量更为发散，对通信速率和通信距离均存在不利影响，但相应的，激光通信链路对指向误差和大气湍流所造成光束抖动的鲁棒性将得以提升。因此，针对不同通信场景，激光通信系统信号光发散角的差异较大，能够方便高效地对激光远场发散角进行精确测量具有重要的意义；
3.目前，测量基模高斯激光远场发散角的方法可以归结为三大类：
①
拟合法，通过直接或间接测量激光束腰半径w0，根据远场发散角公式θ＝2λ/πw0，计算得出发散角；
②
ccd法，借助聚焦光学元件将待测激光成像在相机上，用相机在焦平面上测得的光斑直径d除以相机焦距f计算得到远场发散角θ＝d/f；
③
远场广角法，在远大于瑞利长度的距离下放置漫反射板接收待测激光，并用相机观察漫反射板上的光斑，用光斑直径d除以距离z得到远场发散角θ＝d/z；
4.第一类方法需要在不同的位置处测量光束宽度(gbt 26599.1-2011中规定至少为10个位置)，之后对各位置处的光束宽度进行双曲线拟合从而得到束腰半径，进而计算远场发散角。此类方法需要测量的数据量大，影响了测量的效率，且测量时光强的变化也将影响测量的结果。第二类方法中所用的相机和成像镜头在调节时需要对无限远成像，相机位置固定，位于后焦面处，而测量时无法将待测激光的束腰准确放在聚焦光学元件的前焦面处，因此经聚焦光学元件变换后的待测激光束腰位置也并不在聚焦光学元件的后焦面上，此时位于后焦面的相机所测的光斑偏大，导致计算得到的远场发散角也偏大。第三类方法适合测量大发散角(几十mrad)的激光束，对于激光通信中常用的几百μrad甚至几十μrad的激光，其瑞利长度可达几十米，这不仅限制了此类方法在实验室中的实施，而且过长的传输距离也使光束受到空气湍流和温度梯度的影响，进而对测量结果造成不利影响；
5.对激光通信中常用的激光光源，其出射光的束腰直径通常在4mm～132mm之间(对应的远场发散角为500μrad～15μrad)，在用ccd法测量此类激光的远场发散角时，一是要尽可能使聚焦光学元件的口径大于光束直径，否则像面光斑的大小将不仅受到光束发散角的影响，还将受到衍射造成的艾里斑的影响，使测量结果偏大。二是要尽可能增大聚焦光学元件的焦距，以增大像面的光斑直径，提高测量精度；
6.因此，在测量激光通信光源的远场发散角时，需要一种大口径、长焦距的聚焦光学元件，以减轻衍射对测量结果的影响，并在保证测量精度的前提下，提高测量效率，减少测量所需的数据量。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基摸高斯激光远场发散角测试方法及其机构，基于施密特-卡塞格林成像镜头，具有无色差，可支持宽波段高斯光束发散角测量，成像镜头口径大，可减轻衍射效应对测量结果的影响，镜头焦距长，配合相机图像处理算法，可提高测量精度，测量系统结构紧凑，三维尺寸较小，可在实验室内或外厂测量使用的有益效果，同时，对待测激光束腰位置不敏感，降低了测量时装调的难度，进而，实现了提供一种大口径、长焦距的聚焦光学元件，以减轻衍射对测量结果的影响，并在保证测量精度的前提下，提高测量效率，减少测量所需的数据量目的。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.本发明公开的一种基摸高斯激光远场发散角测试机构，包括：
10.承载镜筒的方位俯仰调整台、设置在所述方位俯仰调整台一侧用于衰减待测激光的光衰减器；以及
11.设置在所述方位俯仰调整台另一侧的自准直仪；
12.所述镜筒位于所述自准直仪侧安装有红外相机、所述镜筒位于所述光衰减器侧安装有施密特校正板；
13.其中，所述待测激光光路经过所述光衰减器、所述施密特校正板后入射到所述镜筒内、并在所述镜筒内依次经过主镜、次镜反射后打到所述红外相机靶面，且所述次镜设置在所述主镜位于所述施密特校正板侧。
14.进一步的，所述镜筒装设有能够伸入所述镜筒内部的调焦旋钮，从而驱动所述主镜朝向或远离所述次镜方向位移。
15.进一步的，所述镜筒内形成有用于容纳所述主镜和所述次镜的容置腔，所述容置腔通过导轨沿所述待测激光光路入射方向滑动连接有用于承载所述主镜的支架，且所述镜筒一端通过所述施密特校正板封盖所述容置腔，所述施密特校正板粘接有所述次镜。
16.进一步的，所述支架中部开设有直径不小于所述主镜出光孔的出光通道，以便所述待测激光出射光路经过所述出光通道打到所述红外相机靶面，其中，所述镜筒端部开设有所述调焦旋钮能够穿过的通孔，所述调焦旋钮末端与所述支架固定连接。
17.进一步的，所述镜筒一端开设有卡槽，所述卡槽与所述施密特校正板固定连接。
18.进一步的，所述镜筒上方装设有反射镜，所述反射镜与所述自准直仪相对设置。
19.进一步的，所述镜筒顶端固连有调节支架，所述调节支架位于所述自准直仪侧固连有所述反射镜。
20.本发明公开的一种基摸高斯激光远场发散角测试方法，采用上述所述的测试机构，该方法包括以下步骤：
21.步骤一：使用基横模高斯光束，高斯光经过单透镜的光束变换，获得入射高斯光的束腰半径w0，获得入射高斯光束腰到透镜前表面的距离l，获得出射高斯光的束腰半径w'0，获得出射高斯光束腰到透镜后表面的距离l'，透镜的焦距为f；
22.步骤二：利用高斯光q参数的abcd矩阵变换，计算和简化公式。
23.进一步的，经过步骤二计算和化简，得到出射高斯光束腰的位置l'和束腰半径w'0如下所示：
[0024][0025][0026]
进一步的，上述步骤二中，当入射高斯光束腰位于透镜前焦面处时，出射高斯光束腰位于透镜后焦面，此时l＝l'＝f，则束腰半径w'0的公式可化简为：
[0027][0028]
高斯光远场发散角定义为：
[0029][0030]
将束腰半径w'0的公式代入高斯光的远场发散角公式，可得：
[0031][0032]
此处的w'0为当入射高斯光束腰正好在透镜前焦面时，在透镜后焦面处得到的出射高斯光束腰的半径，因此可以通过相机焦面处的光斑尺寸，计算出入射高斯光的远场发散角。
[0033]
在上述技术方案中，本发明提供的一种基摸高斯激光远场发散角测试方法和机构，其从高斯光束特性出发，根据其远场发散角的定义，基摸高斯激光远场发散角测试机构，镜筒内承载有主镜、次镜，且利用调焦旋钮驱动主镜位移，使成像镜头具有调焦功能，配合光斑提取软件，准确找到高斯光束镜头成像镜头后束腰的位置，可对此束腰直径进行精确测量；系统配合自准直仪使用，具备实时校准测量系统焦距的功能，减小调焦带来的误差，提高了测量精度。
[0034]
另外，调节镜筒前侧的光衰减器，能够使待测激光衰减到合适的功率范围，之后激光经施密特-卡塞格林成像镜头后，汇聚于红外相机的靶面；调节镜头调焦旋钮，使红外相机靶面的光斑图像最小并记录光斑直径；将自准直仪与反射镜自对准后，使施密特-卡塞格林成像镜头和反射镜同时旋转相同的角度，记录红外相机上光斑移动的距离和镜头旋转的角度，结合测得的光斑直径，可得待测激光的发散角，此测量机构测量口径大，同时可减轻衍射对测量结果的影响；焦距长，可提高测量精度；结构紧凑，可减少占用空间并方便在外场测量使用；对待测激光束腰位置不敏感，降低了测量时装调的难度。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一
些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是本发明公开的一种基摸高斯激光远场发散角测试方法高斯光束单透镜变换原理图；
[0037]
图2是本发明公开的一种基摸高斯激光远场发散角测试机构整体结构示意图；
[0038]
图3是本发明公开的高斯光束发散角误差分布图。
[0039]
附图标记说明：
[0040]
1、光衰减器；2、方位俯仰调整台；3、施密特校正板；4、主镜；5、次镜；6、红外相机；7、调焦旋钮；8、支架；9、导轨；10、镜筒；11、自准直仪；12、反射镜；13、调节支架。
具体实施方式
[0041]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
[0042]
参见图1所示；
[0043]
发明一种基摸高斯激光远场发散角测试方法及机构，其基于施密特-卡塞格林成像镜头，原理方法为；
[0044]
步骤一：激光通信所使用的激光束为基横模高斯光束，高斯光经过单透镜的光束变换如图1所示，其中，w0为入射高斯光的束腰半径，l为入射高斯光束腰到透镜前表面的距离，w'0为出射高斯光的束腰半径，l'为出射高斯光束腰到透镜后表面的距离，透镜的焦距为f；
[0045]
步骤二：利用高斯光q参数的abcd矩阵变换，经过计算和化简，得到出射高斯光束腰的位置l'和束腰半径w'0如下所示：
[0046][0047][0048]
当入射高斯光束腰位于透镜前焦面处时，出射高斯光束腰位于透镜后焦面，此时l＝l'＝f，则束腰半径w'0的公式可化简为：
[0049][0050]
高斯光远场发散角定义为：
[0051][0052]
将束腰半径w'0的公式代入高斯光的远场发散角公式，可得：
[0053][0054]
此处的w'0为当入射高斯光束腰正好在透镜前焦面时，在透镜后焦面处得到的出射高斯光束腰的半径，因此可以通过相机焦面处的光斑尺寸，计算出入射高斯光的远场发散角。
[0055]
参见图2所示；
[0056]
一种基摸高斯激光远场发散角测试机构，该测试机构包括：
[0057]
承载镜筒10的方位俯仰调整台2、设置在方位俯仰调整台2一侧用于衰减待测激光的光衰减器1、设置在方位俯仰调整台2另一侧的自准直仪11、且镜筒10位于自准直仪11侧安装有红外相机6、镜筒10位于光衰减器1侧安装有施密特校正板3、以及
[0058]
装设在镜筒10上方与自准直仪11对应的反射镜12；
[0059]
其中，待测激光光路经过光衰减器1、施密特校正板3后入射到镜筒10内、并在镜筒10内依次经过主镜4、次镜5反射后打到红外相机6靶面，且次镜5设置在主镜4位于施密特校正板3侧。
[0060]
具体的，参见图2所示，该测试机构在待测激光光束上依次间隔地布设有光衰减器1、方位俯仰调整台2，通过光衰减器1对待测激光的光强进行衰减，通过方位俯仰调整台2承载镜筒10，方位俯仰调整台2远离光衰减器1侧布设有自准直仪11，并在镜筒10位于自准直仪11侧安装有红外相机6、镜筒10位于光衰减器1侧安装有施密特校正板3，且利用装设在镜筒10上方反射镜12与自准直仪11对应，具体的，镜筒10顶端固连有调节支架13，调节支架13位于自准直仪11侧固连有反射镜12，在镜筒10内依次经过主镜4、次镜5，主镜4和施密特校正板3之间设置有次镜5，从而形成施密特-卡塞格林成像镜头；
[0061]
其中，待测激光光路经过光衰减器1、施密特校正板3后入射到镜筒10内，在镜筒10内依次经过主镜4、次镜5、以及主镜4的通孔后反射后打到红外相机6靶面；
[0062]
该结构中，光衰减器1可对待测激光的光强进行衰减，以防止汇聚的光束能量过强从而对红外相机6的靶面造成损伤，方位俯仰调整台2承载着镜筒10和安装有反射镜12的调整支架13，实现了在方位和俯仰方向进行精密调节，通过施密特校正板3对施密特-卡塞格林成像镜头的球差进行矫正，并利用自准直仪11发出的校准激光打到反射镜12上后反射回自准直仪11的视场内，调节自准直仪11的方位俯仰和反射镜调整支架13的方位俯仰，使返回的光斑位于视场中心，此时自准直仪11和反射镜12完成了校准；
[0063]
参见图2所示；
[0064]
优选的，镜筒10装设有能够伸入镜筒10内部的调焦旋钮7，从而驱动主镜4朝向或远离次镜5方向位移。具体的，也就是说通过调节镜头调焦旋钮7，可控制主镜支架8带动主镜4沿导轨9的方向移动，从而改变主镜4和次镜5之间的距离，使红外相机6靶面的光斑面积最小。优选的，镜筒10内形成有用于容纳主镜4和次镜5的容置腔，容置腔安装有导轨9，通过导轨9沿待测激光光路入射方向滑动连接有支架8，支架8用于承载主镜4，镜筒10一端通过施密特校正板3封盖容置腔，施密特校正板3位于容置腔内粘接有次镜5，镜筒10一端开设有卡槽，卡槽与施密特校正板3固定连接。
[0065]
参见图2所示；
[0066]
优选的，支架8中部开设有出光通道，该出光通道的直径不小于主镜4出光孔直径，
待测激光光束出射光路经过出光通道打到红外相机6靶面，其中，镜筒10端部开设有调焦旋钮7能够穿过的通孔，调焦旋钮7末端与支架8固定连接。驱动调焦旋钮7带动支架8承载主镜4沿导轨9的方向移动，实现改变主镜4和次镜5之间的距离，使红外相机6靶面的光斑面积最小；
[0067]
在上述技术方案中，本发明提供的一种基摸高斯激光远场发散角测试机构，使用方法：
[0068]
使用过程中，首先移动待测激光光源，使待测激光的束腰位于施密特-卡塞格林成像镜头前焦面的大致位置处，调节光衰减器1使其衰减量达到最大，以在装调过程中保护红外相机6；
[0069]
调节方位俯仰调整台2，使经光衰减器1衰减后的待测激光穿过施密特校正板3，正入射到主镜4上，再经次镜5反射后打到红外相机6的靶面，此时在红外相机6输出的图像中可看到有光斑，调节光衰减器1和红外相机6的曝光时间，使光斑的最大灰度值小于相机的额定最大输出灰度阈值，以防止光斑饱和对测量精度带来的影响；
[0070]
调节镜头调焦旋钮7，使红外相机6靶面的光斑图像最小，此时相机靶面记录的为经施密特-卡塞格林成像镜头变换后的激光束腰处光斑，存图记录光斑直径所对应的像元数n，根据红外相机6的像元尺寸d
p
，可得束腰处的光斑直径为2w'0＝nd
p
。(此处为减少随机性造成的误差，可存10副图后计算平均光斑直径所对应的像元数n
mean
)
[0071]
将自准直仪11和反射镜12自对准后，调节方位俯仰调整台2，使镜筒10和反射镜12同时旋转相同的角度，此时在红外相机6上可观察到光斑移动了一定的距离，记录光斑位移的像元数n
l
。调节自准直仪11的方位俯仰，使返回自准直仪11的光斑位于自准直仪11的视场中心，并记录测得的旋转角度θ
l
，可知红外相机6上光斑到施密特-卡塞格林成像镜头后主面的距离l'，计算公式为：
[0072][0073]
则所测激光的发散角为
[0074][0075]
在实际实验过程中，由于难以将入射高斯光束腰正好放置在透镜前焦面的位置处，导致实际测量的结果与理论公式间存在一定的误差，下面对误差量的大小进行分析，采用输出高斯激光束腰直径为3.6mm的光纤准直器，束腰直径到准直器前表面距离为18.07mm，准直器焦距为f＝18.75mm，na＝0.15，接模场直径为10.4μm的单模光纤后出射光发散角为10.4/18.75＝554.67μrad。所用的施密特-卡塞格林成像镜头参数为：口径d＝160mm，焦距f在1500mm～1700mm间可调。
[0076]
按照上述提到的方法测量得到w'0和l'，则计算得到的发散角为θ＝2w'0/l'，对于δl＝(l-f)∈(-1.5m,1.5m)的情况(此时相当于入射高斯光束腰据透镜前焦面1.5m远)，计算得到的发散角γ与实际发散角θ
real
间的相对误差δθ＝θ-θ
real
)/θ
real
，其分布如图3所示，可见相对误差的大小受施密特-卡塞格林成像镜头的焦距影响不大，其主要受入射高斯光束腰据透镜前焦面的距离δl影响，在δl∈(-0.26m,0.24m)时，相对误差δθ《1％；在δl∈(-0.61m,0.46m)时，相对误差δθ《2％；在δl∈(-1.5m,0.84m)时，相对误差δθ《4％。可见正
常情况下入射高斯光束腰位置据透镜前焦面的距离对计算结果影响不大。
[0077]
以上为本发明测量基摸高斯激光远场发散角的原理，在本优选例中，如图1所述，所用的反射式望远镜的焦距为10m，所用的红外相机5的像元尺寸为5μm，此时发散角的测量精度为δθ＝5/10＝0.5μrad。
[0078]
有益效果：
[0079]
本发明实现了精确测量激光通信系统中高斯光束的远场发散角，从高斯光束远场发散角的定义出发，配合高斯光束的透镜变换，明确高斯光束远场发散角的测量方法与步骤；通过施密特-卡塞格林成像镜头，将入射至测量系统的高斯光束汇聚至相机，测量过程中，由于调焦机构的作用，可将经过成像镜头后的高斯光束束腰精确调整至相机位置，精确测量出变换后高斯光束的主要直径；通过自准直仪与方位俯仰调整台的配合工作，可实时测量出调整后成像镜头的焦距，进一步提高测量精度。
[0080]
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。