应用于激光探测的高效窄带双光栅光谱滤波技术

发布时间：2020-06-04 16:25

【摘要】：在对窄线宽激光光源探测的研究中,当背景光较弱时,接收系统能够比较好的识别探测光,而在背景光较强时,常常遇到信号光被淹没而导致探测失败的问题。由于天空背景光等带来的噪声极大的限制了探测系统的性能,所以如何降低背景光对接收系统探测性能的影响是急需解决的问题;光谱滤波技术是抑制背景噪声,提高激光回光探测信噪比的有效途径之一。它能够按照光谱滤波器的特性来对入射光谱进行处理,信号光谱具有高透过率特性,而背景光谱则处于截止波段,透过率很低,所以使用透射光谱宽度很窄的滤光器,可以很好的提升系统的探测能力。因此光谱滤波技术在进行窄线宽激光光源探测的若干技术领域得到了广泛的应用,如激光导星技术,激光主动照明成像,激光雷达等。本文的研究内容和成果主要包含以下三个方面:第一部分,确定以光栅光谱滤波技术为研究重点,从理论上研究光栅滤波系统的透射线宽和效率与系统结构以及入射光场分布之间的关系。以光栅方程为基础,在入射光场为理想高斯光束的条件下,结合透镜的傅里叶变换,推导出光栅的衍射远场光强分布,使用MATLAB软件作为主要的仿真建模工具,对整个光栅滤波系统进行模型建立;通过对光场离散化处理,得到不同波长在不同位置的光强分布矩阵,利用统计的方式,得到指定区域透射光场能量与入射光场能量的比值,并求得透射光谱线宽的大小。并以此为基础,作出了系统的透射线宽和透过率的大小与狭缝的尺寸,透镜的焦距,以及核心器件光栅的相关参数之间的关系曲线,并得出结论:光栅常数d的减小以及光栅总缝数N的增大能够提高系统性能。同时搭建实验系统,约1nm范围内有光谱输出(半高全宽为0.2789nm)的入射激光在经过系统滤光后得到约0.1nm范围内有光谱输出(半高全宽为0.0288nm)的出射激光,得到了亚纳米级的滤波结果,从实验上验证了理论仿真结果的正确性,为光栅光谱滤波系统的最优结构参数设计提供了有效的依据。第二部分,这一部分重点关注大气湍流对光栅光谱滤波系统的影响。以多相位屏思想为核心,结合谱反演法和快速傅里叶变换法,对激光束在湍流大气中的传输进行了模拟,得到了入射到光栅表面的入射光场分布状况,并以此为基础,结合第一部分中相关的光栅理论,同样以MATLAB为仿真工具,以系统透射光谱线宽和透过率为主要性能参数指标,验证了光栅光谱滤波系统在入射光场相位存在随机畸变条件下的滤波可行性和稳定性,同时分析了大气相干长度r0等大气参数对系统性能的影响,得出了随着大气相干长度r0的增大,滤波性能下降的结论,同时也给出了系统的大气适用性条件,对于中心波长为1064nm,发射光束口径为50mm的发射光束,在r00.05m时,系统性能随着r0的减小迅速恶化,所以应尽量保证系统在r00.05m的大气条件下使用。另外我们在r0=0.1m时,获得了亚纳米级(FWHM=0.3nm)的光谱滤波线宽,有效光谱的透过率也超过了 90%。同时我们在实验室进行了定性对比实验,使用相位板模拟光束波前畸变,入射光谱线宽为0.15nm的激光束在加入相位板后输出光谱线宽从0.034nm变为0.046nm,证明了系统对于波前有一定相位畸变的入射光场依然具有滤波能力,但是滤波性能会下降。这为系统在复杂大气条件下的应用提供了可靠的仿真和实验依据。第三部分,这一部分主要是系统设计和实验验证。通过前面两部分的分析确定了系统各器件的最优结构参数,构建了一套基于双光栅的光谱滤波系统,采用透镜与光栅结合的4f系统结构,将狭缝放置在透镜的后焦面上,实现了光栅在近场处的远场滤波功能;另外采用双光栅结构,第二块光栅能够有效补偿第一块光栅所带来的色散问题,提高了出射光束的光束质量;并在系统结构上加以改进,将系统设计为单光栅折叠结构,采用一块夹角为直角的反射棱镜,使得第一次经光栅衍射后的光束能够平行返回到光栅表面,即实现了同一块光栅的二次利用,压缩了系统体积,又能够保证色散补偿的效果,提高系统的稳定性。同时在理论和实验上对比分析了单双光栅结构对光束质量的影响,在无光栅时,测得的光束质量M2为1.683,在不加入第二块光栅时,测得的光束质量M2为1.995,在使用双光栅时,测得光束质量M2为1.875,在单光栅折叠结构下测得光束质量M2为1.863,得出双光栅结构和单光栅折叠结构能够有效改善光束质量的结论,另外我们对双光栅系统引入的波前像差进行了实验测量,发现系统在满足4f结构时,引入的波前像差很小。本文的主要创新点主要体现在以下两个方面:第一方面,本文创新性的提出了单光栅折叠复用结构,实现了单光栅复用功能,在满足光谱滤波和色散补偿性能的同时,缩减了系统的体积规模第二方面,针对光栅光谱滤波在激光大气传输探测方向的应用,本文从激光大气传输理论和光栅衍射原理出发,建立了光栅在入射光场为大气扰动光场时的光谱光强分布仿真模型,首次给出了光栅光谱滤波技术的系统和大气适用条件,并通过仿真实验进行了验证。
【图文】：

次谐波,补偿原理,相位屏,大气相干长度

图２．１低频次谐波补偿原理逡逑为Ｐ（Ｐ＞１）时，次谐波网络的间隔为这样这九网络点所取代，这样次谐波相位表达式为：逡逑）邋＝逦ｙ￣］邋ａ（ｍ＇，ｎ＇）／（ＴＯ邋，ｎ邋）ｅｘｐ邋ｉ２ｉ：２＞邋ｐ｛＾＾邋＋＝匚．３＿２１＞。５／６（／４邋＋邋／二），／：１７）邋＝邋３？）１７＾／；１：，／！））；邋＝邋３？１？’厶／＃。当采将大气相干长度ｒＱ代入钆（兄，４），则式（３－２４）的柯尔莫哥Ｎ，，逦厂逦１邋ｒ邋／ｙｉａ（ｍ＼，ｎ＇）逦＼／０．０００５８ｒ0５／ｅ（ｆｔ邋＋邋／ｙ２）￣ｎ／１２邋ｅｘｐ邋ｉ２７ｒ（＾Ｌ邋＋建的相位屏３：，２／方向的长度。0（７７１，，７１）邋＝邋0４邋＋邋１０）斤２，八和８斯随机矩阵。逡逑

衍射效率,光栅,入射角,波长

波长在刻线密度为１７２４．５１ｐ／ｍｍ时的利特罗角为６６．５５４°。逡逑激光探测应用，光栅滤波系统除了实现光谱滤波功能外，还需进行色对系统的整体结构进行设计，再由后面的仿真分析来确定具体参数大，设计了一套基于双ＭＬＤ光栅的窄带滤光系统：逡逑双光栅滤波系统逡逑／逦１丨丨曑人一逦．逡逑ａｓｅｒ逡逑－？邋ｇｒａｔｉｎｇ邋１邋－？邋ｌｅｎｓ邋１邋—？邋ｓｌｉｔ邋—＾邋ｌｅｎｓ邋２逦ｇｒａｔｉｎｇ邋２逦ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｉ逦ｉ逦ｔ逦%煎危皱危垮危驽义舷呖碡馄族喂馄祝澹咤迳㈠喂馄族义显矗悍掷脲鍠茇≡褙瓇#逦补偿逦测量逡逑图３．２双光栅系统组成逡逑收望远镜系统处过来的光束经第一块光栅衍射后，不同波长的光衍射
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713;TN24

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