专利名称：基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大气湍流光学效应实验室模拟系统，隶属于微光学、大气光学、自适应光学等技术领域。
背景技术：
随着大气光学和空间光学技术的不断进步，在实验室内模拟大气湍流光学效应的研究逐渐成为热点。当电磁波在大气中传播时，湍流扰动使得空气折射率发生随机变化，从而导致电磁波的相位发生随机起伏。例如波面畸变、到达角起伏、光束漂移等现象即是大气湍流影响的结果。在许多重要的军事、民用技术领域，如天文成像、光通讯、跟踪制导、遥感探测，以及其它涉及到电磁波在空气中传输的技术领域，大气湍流的影响严重地降低了光电系统的质量。因此，在这些系统的研究、设计以及调试的过程当中，湍流对光电系统性能的影响就成为一个关键的研究内容。为了获得必需的关于光电系统工作于大气湍流环境下的实验数据，途径之一是开展现场实验。由于上述领域的特点，现场实验往往费时、复杂，而且成本很高。尤其是现场的湍流来自于自然界，既不能够人为控制也没有可重复性，这从实验研究的角度来说显然是极不方便的。现场实验的这些限制使得人们对许多关系到湍流的光学性质的问题知之甚少。因此，近年来出现了一种在实验室内模拟大气湍流的思想。该思想是在实验室条件下设计一种实验系统，它对光强和位相调制的统计特征—结构函数、功率谱等与光通过自然界的大气湍流时被调制的统计特征一致。这种系统能够很好地弥补现场实验的不足。它既可以用来研究电磁波在大气湍流中传播的行为，获得重要的实验数据，也在光电系统的研究、设计以及测试中起到不可替代的作用。
目前，国际上多家单位都开展了这方面的研究，如美国的空气动力实验室、亚利桑纳大学的自适应光学中心、马里兰大学，英国的布莱科特实验室以及俄罗斯的莫斯科大学等。实现湍流模拟系统的方案主要有气体方法和液体方法、变形镜方法和液晶方法。气体和液体方法是在实验室条件下利用气体或液体的对流形成湍流，它的物理原理简单、没有太多理论假设，是一种传统的方法，但重复性差、散发的热量对光学仪器有不利影响，时间和空间不能独立调控，所能模拟的湍流的强度也不好控制。变形镜和液晶方法是利用已知的光波的特征函数，产生相应的随机调制器，变形镜方法是利用变形镜的表面变形，液晶方法是改变液晶的折射率来实现的。这两种方法的优点是没有热量引起的对仪器的不利影响、结构紧凑、时间空间能独立控制、具有可重复性，但它的缺点也是很明显的(1)系统复杂、造价高；(2)由于其驱动器密度的限制，使得位相面形精度受限，从而影响模拟湍流的准确性。上述这些方法的不足在不同程度上限制了人们对大气湍流和工作于其中的光电系统的研究。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种准确性好、方便调节、可动态模拟、系统紧凑、成本较低的基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统。
本发明的技术解决方案基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统，其特点在于它由随机位相片及传动装置组成，传动装置带动随机位相片转动，以模拟大气湍流对光波位相的动态调制效应。
所述的随机位相片的设计和制作(1)依据大气湍流的功率谱模型和大气湍流的空间相干长度r0，利用傅立叶变换方法产生随机位相分布；采用傅立叶变换方法，由功率谱产生随机位相分布，即φ(ρ→)=12∫F(k){a(k→)cos{k→·ρ→}+b(k→)sin{k→·ρ→}}dk→,---(1a)]]>
F(k)=0.489r0k-113-53,---(b)]]>其中 是二维随机位相分布函数， 是二维空间坐标，F(k)是湍流功率谱函数， 是二维空间波矢，且k=|k→|,]]> 是高斯随机场，其统计平均满足如下条件⟨a(k→1)b(k→2)⟩=0]]>⟨a(k→1)a(k→2)⟩=δ(k1-k2),]]>⟨b(k→1)b(k→2)⟩=δ(k1-k2)]]>a(k→)=a(-k→),b(k→)=-b(-k→).---(3)]]>利用(1)式可以得到随机位相的相关函数为Cφ(ρ→1,H,ρ→2,H)=⟨φ(ρ→1,H)φ(ρ→2,H)⟩]]>=∫dk→Fφ2(k)cos{k→·(ρ→1-ρ→2)}.]]>也就是该随机位相的相关函数满足大气湍流的功率谱的要求。
(2)将上述所得到的位相数据转换成适当基片的表面随机高度起伏，形成位相片。
(3)采用微光刻技术制作位相片。
本发明的原理在实验室条件下，用表面带有随机高度起伏的位相片模拟大气湍流对光的位相调制效应，采用传动装置用于模拟风力对湍流层的推动效应。由于大气湍流的空间相干长度r0与湍流的强度直接相关，所以通过改变r0的设计值，可以模拟不同强度的湍流的位相调制效应。又由于湍流的时间相干长度为τ0＝r0/v，其中v是风速，则通过调节传动装置的转动速度，可以方便地改变时间相干长度。随机位相片用于模拟静态湍流对光的位相调制，该位相片可产生具有特定统计分布的随机位相。
本发明与现有技术相比的优点在于准确性好、湍流的时间、空间相干长度可独立调节、可动态模拟、系统紧凑、成本较低。准确性好主要是得益于位相设计是基于快速而有效的傅立业变换方法，此外，制作位相片的微光刻技术可以使得制作误差进入亚微米量级。湍流的时间、空间相干长度可独立调节、可动态模拟是由采用的系统方案本身的特点决定的，时间、空间相干长度可独立调节是因为r0是一个设计参数，它可以通过设计而适当调节。正如前所述，时间相干长度与位相片的旋转速度有关，因此改变旋转速度就可以改变时间相干长度。这两个参数在大气湍流的相关研究中十分重要。本发明紧凑、成本较低是因为本发明相对于其他方法而言，占用空间很小，而且加工方法的为成熟技术使得造价较低。
图1为本发明的原理图；图2为本发明的实施例r0＝10cm的随机位相的设计图；图3为本发明实施例制作出来的r0＝10cm的随机位相片的面形分布(干涉仪测量)；图4为理论设计功率谱与实测功率谱的比较图。
具体实施例方式
如图1所示，为本发明的实施例1，入射光来自于前端光学系统，通光口径可调，口径为φ40mm，光波长为0.6328μm。随机位相片外形为圆形，半径需大于通光口径，此处为φ100mm，并在中心安装转动轴承，在安装轴承的区域以外分布随机位相。随机位相片材料为石英，厚度为6mm(一般根据材料对光的透过性能和机械强度而定)。利用传动装置为电机，通过电机带动转动轴承使随机位相片旋转，即可以模拟动态湍流的位相调制效果。旋转速度没有特殊要求，根据被测对象的要求决定。被随机位相片调制后的光束进入终端光学系统，即需要在实验室条件下完成其工作于大气湍流环境中的性能测试的系统。通过改变r0的设计值，模拟不同强度的湍流的位相调制效应；通过调节转动速度，改变时间相干长度。
在数据设计的过程中，基于(1a)式，利用快速傅立业变换产生位相分布。在制作过程中，利用位相分布数据设计调制光强分布的掩模，该掩模被用于将位相分布转换为光强分布，在基片上进行曝光、显影、刻蚀等工艺，最终加工出位相片。
如图2所示，为设计的随机位相分布，横纵坐标代表位相片上的两个正交方向上的位置，而高度代表由(1)式经数值计算得到的随机位相。
如图3所示，为位相片的干涉仪测量图，横纵坐标代表位相片上的两个正交方向上的位置，而高度代表干涉仪测到的随机位相。
如图4所示，横坐标为空间频率，纵坐标为谱强度。该图代表设计功率谱与位相片的实测功率谱的比较，后者由相关函数经傅立业变换得到。
权利要求
1.基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统，其特征在于它由随机位相片及传动装置组成，传动装置带动随机位相片转动，模拟大气湍流对光波位相的动态调制效应。
2.根据权利要求1所述的基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统，其特征在于所述的随机位相片的制作步骤(1)依据大气湍流的功率谱模型和大气湍流的空间相干长度r0，利用傅立叶变换方法产生随机位相分布；(2)将上述所得到的位相数据转换成基片的表面随机高度起伏，形成位相片；(3)采用微光刻技术制作位相片。
全文摘要
基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系统，它由随机位相片及传动装置组成，传动装置带动随机位相片转动，以模拟大气湍流对光波位相的动态调制效应。本发明具有准确性好、湍流的时间、空间相干长度可独立调节、可动态模拟、系统紧凑、成本较低的优点。
文档编号G01M9/00GK1912563SQ20061011243
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月17日 优先权日2006年8月17日
发明者高洪涛, 杜春雷, 邓启凌, 赵泽宇, 董小春, 潘丽, 张祥, 张雨东 申请人:中国科学院光电技术研究所