一种自由空间时频基准传输光束漂移补偿装置及补偿方法

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明属于精密仪器光学传感测量领域，尤其涉及基于改进型径向剪切干涉的自由空间时频基准传输光束漂移补偿方法。背景技术：2.相干光的时频基准传输在检验相对论、重新定义秒、精密导航等领域都是一项至关重要的技术指标。相干光在自由空间链路传输时会受到大气湍流的影响，造成光束漂移。空间光调制器(slm)上具有多个液晶单元，可以对多个光束同时进行调制，结合计算机和软件，可以实现对光束漂移的校正。对于校正后光束的波前可以用径向剪切干涉仪(rsi)来检测，其中循环径向剪切干涉仪(crsi)具有系统稳定性高和抗振动的优点。然而crsi只能测量平面波前，对于球面波前的测量尚未得到充分讨论。为了实现平面波前和球面波前的测量，我们采用了一种改进型循环径向剪切干涉仪，在循环回路中使用单个透镜，此装置既保留了crsi稳定性好等优点，还可以检测多种类型的波前。技术实现要素：3.本发明的内容是为了解决相干光在自由空间链路中受到大气湍流的影响，造成光束漂移这一问题。使用液晶空间光调制器进行相干光在自由空间传输后的校正，基于改进型径向剪切干涉结构，利用偏振元件以及接收器产生干涉条纹并实现实时成像，得到光束在自由空间中补偿后的波前，该方法和用夏克-哈特曼波前传感器直接测量初始波前进行性能验证和比较。同时使用光功率计检测光束在校正后的功率，验证相干光经过自由空间后的补偿效果。4.为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是：5.一种自由空间时频基准传输光束漂移补偿装置，包括初始波前检测模块19、相干光传输模块20、波前校正模块21、径向剪切干涉模块22；从激光器输出耦合光束，耦合光束作为相干光传输的初始波前，一束光进入初始波前检测模块19，一束光进入相干光传输模块20；初始波前进入初始波前检测模块19后，由波前传感器2检测初始波前；初始波前通过相干光传输模块20，相干光在自由空间链路中传输后进入波前校正模块21，由液晶空间光调制器8校正波前；校正后的波前进入光功率计11和径向剪切干涉模块22，由偏振相机18接收校正后的波前，根据测量到的波前与初始波前进行比较，并用液晶空间光调制器8进行调制，实现相干光光束漂移的补偿。6.所述的初始波前检测模块19包括依次设置的分束器1和波前传感器2，其中，分束器1将一束光传入初始波前检测模块19，相干光的波前映射到波前传感器2的阵列面上，波前传感器2与计算机9相连，它的测量值将作为比较值进行该方法系统的性能评价；被分束器1分开的另一束光进入相干光传输模块20。7.所述的相干光传输模块20包括依次设置的扩束器3、第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6、望远镜7，由分束器1分出的其中一束光进入相干光传输模块20中，在发射点经过扩束器3准直并扩大，通过平面镜4和平面镜5将光束传输到自由空间链路中，在远距离处使用平面镜6将光束返回到接收点，由望远镜7接收光束。8.所述的波前校正模块21包括液晶空间光调制器8和计算机9，经过自由空间链路传输后的光束进入波前校正模块21，由液晶空间光调制器8进行波前的校正，将校正后的波前传入分束器10，一束光通过光功率计11检测光束的功率，用于验证液晶空间光调制器8波前校正的效果，液晶空间光调制器8结合计算机9对光束进行相位校正；另一束光进入径向剪切干涉模块22。9.所述的径向剪切干涉模块22包括起偏器12、偏振分束器13、第一平面反射镜14、第二平面反射镜15、消色差透镜16、四分之一波片17，经过波前校正模块21校正后的一束光进入径向剪切干涉模块22，经过起偏器12调制，由偏振分束器13分裂成两束振动方向互相垂直的s波和p波，其中s波从偏振分束器13出发，依次经过第一平面反射镜14、消色差透镜16、第二平面反射镜15；与之相反的p波依次经过第二平面反射镜15、消色差透镜16、第一平面反射镜14，两束光波再次在偏振分束器13处汇合，经过四分之一波片17后，此时两束光均由线偏振光变成圆偏振态光，并在其重叠区域产生圆形干涉条纹，被偏振相机18获取。10.本发明提供了一种自由空间时频基准传输光束漂移补偿方法，包括步骤如下：11.步骤一)，搭建前述的基于改进型径向剪切干涉的自由空间时频基准传输光束漂移空间补偿装置，实现相干光在自由空间链路中的传播；其中，激光器产生的耦合光束通过分束器1分成两束，一束光的初始波前成像到波前传感器2上；12.步骤二)，由分束器1分离的另一束光进入相干光传输模块20，在扩束器3中准直并扩大后，通过第一平面镜4和第二平面镜5发射到自由空间链路中，再通过远处的一块第三平面镜6返回光束，接收点处用望远镜7接收光束；接收到的光束发射到液晶空间光调制器8上，液晶空间光调制器8结合计算机9对经过自由空间的光束进行校正；13.步骤三)，校正后的光束通过分束器10，一束光由功率计11检测光功率，另一束光进入径向剪切干涉模块22中，由偏振相机18实现干涉图像的实时获取与测量；偏振相机18的图像传感器由四个线性偏振器组成，两束光发生干涉后可以产生四个不同相位的干涉条纹，并求出连续的相位差分布；14.步骤四)，利用步骤三)利用求出的相位差分布进行波前重构运算，方法是采用泽尼克多项式拟合运算，首先用两个矩阵表示出正交泽尼克多项式和各阶模式系数，其次推导出两个矩阵之间的关系，并求出各阶泽尼克模式系数，最后带入泽尼克多项式中，可以复原出待测波前；15.步骤五)，将径向剪切干涉模块22获得的波前与波前传感器2测得的波前传输到计算机9上进行比较，检测光波前的形状差异，如果两个波前的形状差异过大，则说明液晶空间光调制器8的补偿效果未达到期望，需要调整液晶空间光调制器8，然后再次获得补偿后的波前，直到检测的两个波前的形状差异较小，说明液晶空间光调制器8很好地补偿了相干光在自由空间中产生的光束漂移。16.步骤六)，使用光功率计11检测相干光经过液晶空间光调制器8调制后的光束功率，如果检测的光束功率接近发射相干光功率的四分之一，则说明液晶空间光调试器8的补偿效果较好，如果检测到的功率相差较大，则应该调整液晶空间光调制器8，然后再次检测光束功率，直到可以达到我们的预期。17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：18.1、使用液晶空间光调制器进行光束的校正，实现了多光束的同时校正，提高了校正效率。19.2、用改进型径向剪切干涉结构测量波前，既保持了抗振动性好，测量精度高的优点，又克服了球面波前无法测量的问题。附图说明20.图1为本发明的总体结构示意图。具体实施方式21.下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。22.图1为本发明的总体结构示意图；如图1所示，本发明是一种基于改进型径向剪切干涉的自由空间时频基准传输光束漂移补偿装置，包括初始波前检测模块19、相干光传输模块20、波前校正模块21、径向剪切干涉模块22；从激光器输出耦合光束，耦合光束作为相干光传输的初始波前，一束光进入初始波前检测模块19，一束光进入相干光传输模块20；初始波前进入初始波前检测模块19后，由波前传感器2检测初始波前；初始波前通过相干光传输模块20，相干光在自由空间链路中传输后进入波前校正模块21，由液晶空间光调制器8校正波前；校正后的波前进入光功率计11和径向剪切干涉模块22，由偏振相机18接收校正后的波前，根据测量到的波前与初始波前进行比较，并用液晶空间光调制器8进行调制，实现相干光光束漂移的补偿。23.其中，初始波前检测模块19包括依次设置的分束器1和波前传感器2，其中，分束器1将一束光传入初始波前检测模块19，相干光的波前映射到波前传感器2的阵列面上，波前传感器2的测量值将作为比较值进行该方法系统的性能评价；被分束器1分开的另一束光进入相干光传输模块20。24.所述的相干光传输模块20包括依次设置的扩束器3、第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6、望远镜7，由分束器1分出的其中一束光进入相干光传输模块20中，在发射点经过扩束器3准直并扩大，通过第一平面镜4和第二平面镜5将光束传输到自由空间链路中，在远距离处使用第三平面镜6将光束返回到接收点，由望远镜7接收光束。25.所述的波前校正模块21包括液晶空间光调制器8和计算机9，经过自由空间链路传输后的光束进入波前校正模块21，由液晶空间光调制器8进行波前的校正，将校正后的波前传入分束器10，一束光通过光功率计11检测光束的功率，用于验证液晶空间光调制器8波前校正的效果，液晶空间光调制器8结合计算机9对光束进行相位校正；另一束光进入径向剪切干涉模块22。26.所述的径向剪切干涉模块22包括起偏器12、偏振分束器13、第一平面反射镜14、第二平面反射镜15、消色差透镜16、四分之一波片17，经过波前校正模块21校正后的一束光进入径向剪切干涉模块22，经过起偏器12调制，由偏振分束器13分裂成两束振动方向互相垂直的s波和p波，其中s波从偏振分束器13出发，依次经过第一平面反射镜14、消色差透镜16、第二平面反射镜15；与之相反的p波依次经过第二平面反射镜15、消色差透镜16、第一平面反射镜14，两束光波再次在偏振分束器13处汇合，经过四分之一波片17后，此时两束光均由线偏振光变成圆偏振态光，并在其重叠区域产生圆形干涉条纹，被偏振相机18获取。27.基于上述描述的一种基于改进型径向剪切干涉的自由空间时频基准传输光束漂移空间补偿装置的补偿方法，包括步骤如下：28.步骤一)，搭建前述的基于改进型径向剪切干涉的自由空间时频基准传输光束漂移空间补偿装置，实现相干光在自由空间链路中的传播；其中，激光器产生的耦合光束通过分束器1分成两束，一束光的波前成像到波前传感器2上；29.步骤二)，由分束器1分离的另一束光进入相干光传输模块20，在扩束器3中准直并扩大后，通过第一平面镜4和第二平面镜5发射到自由空间链路中，再通过远处的一块第三平面镜6返回光束，接收点处用望远镜7接收光束；接收到的光束发射到液晶空间光调制器8上，液晶空间光调制器8结合计算机9对经过自由空间的光束进行校正；30.步骤三)，校正后的光束通过分束器10，一束光由功率计11检测光功率，另一束光进入径向剪切干涉模块22中，由偏振相机18实现干涉图像的实时获取与测量；偏振相机18的图像传感器由四个线性偏振器组成，两束光发生干涉后可以产生四个不同相位的干涉条纹，并求出连续的相位差分布；31.步骤四)，利用步骤三)利用求出的相位差分布进行波前重构运算，方法是采用泽尼克多项式拟合运算，首先用两个矩阵表示出正交泽尼克多项式和各阶模式系数，其次推导出两个矩阵之间的关系，并求出各阶泽尼克模式系数，最后带入泽尼克多项式中，可以复原出待测波前；32.步骤五)，将径向剪切干涉模块22获得的波前与波前传感器2测得的波前传输到计算机9上进行比较，检测光波前的形状差异，如果两个波前的形状差异过大，则说明液晶空间光调制器8的补偿效果未达到期望，需要调整液晶空间光调制器8，然后再次获得补偿后的波前，直到检测的两个波前的形状差异较小，说明液晶空间光调制器8很好地补偿了相干光在自由空间中产生的光束漂移。33.步骤六)，使用光功率计11检测相干光经过液晶空间光调制器8调制后的光束功率，如果检测的光束功率接近发射相干光功率的四分之一，则说明液晶空间光调试器8的补偿效果较好，如果检测到的功率相差较大，则应该调整液晶空间光调制器8，然后再次检测光束功率，直到可以达到我们的预期。









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