專(zhuān)利名稱(chēng)：后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測(cè)裝置，尤其涉及一種后向受激布里淵散射探測(cè)液體中無(wú)反 射物體的裝置及方法。
技術(shù)背景激光探測(cè)水下物體的傳統(tǒng)方法是將激光射入水中，當(dāng)遇到水下物體的時(shí)候， 由于物體表面有一定程度的反射，探測(cè)反射光返回到達(dá)的時(shí)間，測(cè)量激光出射 時(shí)間和反射光返回到達(dá)時(shí)間的差值，根據(jù)光的傳播速度可以計(jì)算確定物體所在 的深度。但是目前的反探測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得水下物體具有更加隱蔽的無(wú)反射無(wú) 散射特性，這就使得傳統(tǒng)的依靠水下被探測(cè)物體自身反射或散射的方法受到了 極大的挑戰(zhàn)。本發(fā)明針對(duì)不具有反射特性和弱散射特性的物體在水下或其他液 體下，無(wú)法用傳統(tǒng)激光探測(cè)方法探測(cè)時(shí)，由檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)液體中 的后向受激布里淵散射信號(hào)來(lái)探測(cè)物體存在與否以及它所在的深度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種后向受激布里淵散射探測(cè)液體中無(wú)反射物體的裝 置及方法。后向激光受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體裝置是在同一光軸上依次放置單縱模激光器、反射鏡M。 1/2波片、格蘭棱鏡、法拉第45°旋光器、反 射鏡M2、發(fā)散透鏡、會(huì)聚透鏡、被測(cè)對(duì)象、探測(cè)器。所述單縱模激光器的激光波長(zhǎng)人。分別為1.06pm、 532nm或355nm。單縱模激光器輸出單縱模激光脈沖，脈沖寬度為1 100ns,脈沖能量為10 1000mJ，激光譜線寬度小于lGHz。1/2波片對(duì)于波長(zhǎng)為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互垂直偏振分 量產(chǎn)生180。的位相差。格蘭棱鏡對(duì)于波長(zhǎng)為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互垂直偏振分 量，水平偏振光透過(guò)，而垂直偏振光反射。法拉第45。旋光器，對(duì)于波長(zhǎng)為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互 垂直偏振分量，正向或反向一次通過(guò)旋光器后，偏振方向按同一方向旋轉(zhuǎn)45。。發(fā)散透鏡、會(huì)聚透鏡組成發(fā)散會(huì)聚系統(tǒng)，發(fā)散透鏡的焦距為一20 —40cm， 會(huì)聚透鏡的焦距為20 40cm。后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的探測(cè)方法是由單縱模激光器發(fā)出的激光，通過(guò)反射鏡M,反射后透過(guò)1/2波片，旋轉(zhuǎn)1/2波片改變偏振方 向，出射光透過(guò)格蘭棱鏡后光強(qiáng)發(fā)生改變；由格蘭棱鏡出射的光通過(guò)法拉第45° 旋光器后偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，再由反射鏡M2反射到由發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡組成 的擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)，從會(huì)聚透鏡出射的激光束在液體池或自然水域中會(huì)聚；當(dāng)會(huì) 聚點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到該液體的受激布里淵散射的閾值光強(qiáng)的時(shí)候，激光在液體中產(chǎn) 生后向受激布里淵散射，后向散射光沿原路返回，再次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)后從 反射鏡M2反射，并反向通過(guò)法拉第45。旋光器，使偏振方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，激 光的偏振方向總共旋轉(zhuǎn)了90°，從格蘭棱鏡的反射口輸出，輸出的后向散射激光 用光電探測(cè)器接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；當(dāng)在液體的會(huì)聚點(diǎn)上存在一 個(gè)無(wú)反射物體時(shí)，激光就無(wú)法在液體中產(chǎn)生后向受激布里淵散射，就沒(méi)有電信 號(hào)輸出；改變擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)中的發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡之間距離，激光就在液體 中的不同深度會(huì)聚，檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)相應(yīng)的后向布里淵散射信號(hào)的 有無(wú)，就可以探測(cè)到水下物體存在與否以及它所在的深度。本發(fā)明通過(guò)改變發(fā)散透鏡和會(huì)聚的距離，可以方便地設(shè)計(jì)會(huì)聚激光在水下 的深度，同時(shí)，后向受激布里淵散射光直接從格蘭棱鏡輸出，使用普通商用的 光電探測(cè)器就可以探測(cè)到有無(wú)物體存在，不需要特殊的接收系統(tǒng)。由于檢測(cè)的 是水或液體的散射而不是被測(cè)物體的散射，即使物體表面沒(méi)有反射光或散射光， 也可以通過(guò)探測(cè)器中沒(méi)有后向受激布里淵散射光電信號(hào)這一現(xiàn)象來(lái)判別在這一 深度有物體存在。而物體所在的深度則可以由會(huì)聚透鏡和發(fā)散透鏡之間的距離 來(lái)確定，這需要通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)建立會(huì)聚點(diǎn)位置同會(huì)聚透鏡和發(fā)散透鏡間距的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)需要通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)定，從而預(yù)置會(huì)聚透鏡和發(fā)散透鏡 之間的距離與物體所在深度之間的關(guān)系。實(shí)際的裝置中通過(guò)自動(dòng)調(diào)焦裝置調(diào)節(jié) 會(huì)聚透鏡和發(fā)散透鏡之間的距離，達(dá)到掃描激光會(huì)聚點(diǎn)在水下的深度，探測(cè)不 同深度中的物體。


圖1是后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的裝置示意圖； 圖2是用F—P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)試得到的入射激光和后向受激布里淵散射光的干涉 環(huán)圖；圖3是受激布里淵散射光造成的附加環(huán)消失示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，后向激光受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體裝置是在 同一光軸上依次放置單縱模激光器l、反射鏡M, 2、 1/2波片3、格蘭棱鏡4、 法拉第45°旋光器5、反射鏡M2 6、發(fā)散透鏡7、會(huì)聚透鏡8、被測(cè)對(duì)象9、探測(cè)器10。所述單縱模激光器1的激光波長(zhǎng)^分別為L(zhǎng)06)am、 532nm或355nm。單縱 模激光器1輸出單縱模激光脈沖，脈沖寬度為1 100ns,脈沖能量為10 1000mJ，激光譜線寬度小于lGHz。 1/2波片3對(duì)于波長(zhǎng)為1.06|im、 532nrn或 355nm激光的二個(gè)相互垂直偏振分量產(chǎn)生18(^的位相差。格蘭棱鏡4對(duì)于波長(zhǎng) 為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互垂直偏振分量，水平偏振光透過(guò)， 而垂直偏振光反射。法拉第45°旋光器5,對(duì)于波長(zhǎng)為1.06|um、 532nrn或355nrn 激光的二個(gè)相互垂直偏振分量，正向或反向一次通過(guò)旋光器后，偏振方向按同 一方向旋轉(zhuǎn)45。。發(fā)散透鏡7、會(huì)聚透鏡8組成發(fā)散會(huì)聚系統(tǒng)，發(fā)散透鏡7的焦 距為一20~ —40cm，會(huì)聚透鏡8的焦距為20~40cm。后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的探測(cè)方法是基于激光在液 體中的受激布里淵散射的原理。當(dāng)激光會(huì)聚在液體中的時(shí)候，由于激光強(qiáng)度超 過(guò)了液體布里淵散射閾值，產(chǎn)生后向散射，后向受激布里淵散射光的頻率相對(duì) 于入射激光有一定的變化，產(chǎn)生頻移，后向受激布里淵散射頻移A &可以通過(guò)下式計(jì)算其中"是該波長(zhǎng)激光在液體中的折射率，^^是液體中的聲速，^是光在真 空中的波長(zhǎng)。利用F—P標(biāo)準(zhǔn)具可以看到頻移后的多光束干涉環(huán)與原入射光的環(huán)直徑有變 化。通過(guò)觀察后向散射光的頻移來(lái)判別這一光確實(shí)是液體中的受激布里淵散射 光。圖2是用F—P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)試得到的入射激光和后向受激布里淵散射光的干涉 環(huán)圖。后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的探測(cè)方法是由單縱模激光 器1發(fā)出的激光，通過(guò)反射鏡M, 2反射后透過(guò)1/2波片3,旋轉(zhuǎn)1/2波片改變 偏振方向，出射光透過(guò)格蘭棱鏡后光強(qiáng)發(fā)生改變；由格蘭棱鏡4出射的光通過(guò) 法拉第45°旋光器5后偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，再由反射鏡M2 6反射到由發(fā)散透鏡7 和會(huì)聚透鏡8組成的擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)，從會(huì)聚透鏡出射的激光束在液體池9或自 然水域中會(huì)聚；當(dāng)會(huì)聚點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到該液體的受激布里淵散射的閾值光強(qiáng)的時(shí) 候，激光在液體中產(chǎn)生后向受激布里淵散射，后向散射光沿原路返回，再次經(jīng) 過(guò)擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)后從反射鏡M2反射，并反向通過(guò)法拉第45。旋光器，使偏振方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，激光的偏振方向總共旋轉(zhuǎn)了 90°,從格蘭棱鏡的反射口輸出， 輸出的后向散射激光用光電探測(cè)器10接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；當(dāng)在 液體的會(huì)聚點(diǎn)上存在一個(gè)無(wú)反射物體時(shí)，激光就無(wú)法在液體中產(chǎn)生后向受激布 里淵散射，就沒(méi)有電信號(hào)輸出；改變擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)中的發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡之 間距離，激光就在液體中的不同深度會(huì)聚，檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)相應(yīng)的 后向布里淵散射信號(hào)的有無(wú)，就可以探測(cè)到水下物體存在與否以及它所在的深 度。本發(fā)明提供的利用后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的方法， 由于檢測(cè)的是水或液體的散射而不是被測(cè)物體的散射，即使物體沒(méi)有反射光， 也可以通過(guò)探測(cè)不到后向受激布里淵散射來(lái)判別在這一深度有物體存在。 同時(shí)物體在液體中的深度可以通過(guò)會(huì)聚發(fā)散透鏡之間的距離來(lái)確定，這一距離 與深度之間的關(guān)系，可以由標(biāo)定而預(yù)先確立。從而可以迅速快捷的探測(cè)到物體 在液體中的深度。 實(shí)施例如圖1所示，單縱模激光器輸出單縱模脈沖激光， 實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下激光波長(zhǎng)=532.201nm脈沖寬度=5ns線寬< lGHz脈沖能量在20mJ 250mJ內(nèi)可變?cè)摬ㄩL(zhǎng)在水中的吸收吸收系數(shù)二0.01 0.05/cm受激布里淵散射增益系數(shù)為二0.0048cm/MW發(fā)散透鏡(7)焦距=—20~ —40cm會(huì)聚透鏡(8)焦距二10 30cm發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡之間距離二10 20cm介質(zhì)是水，532nm激光在水中的折射率二1.52激光束會(huì)聚在液體池中，深度二10m 20m的水中。 發(fā)射的激光束通過(guò)反射鏡Mi反射后依次透過(guò)1/2波片、格蘭棱鏡、法拉第 45°旋光器，由反射鏡M2反射到由發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡組成的擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)， 從會(huì)聚透鏡出射的激光束在水池中會(huì)聚。當(dāng)會(huì)聚點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到水的受激布里淵 散射的閾值光強(qiáng)的時(shí)候，激光在水中產(chǎn)生后向受激布里淵散射，后向散射光沿 原路返回，再次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)后從反射鏡M2反射，并反向通過(guò)法拉第45°旋光器，由于激光束正反向二次通過(guò)法拉第45°旋光器，激光的偏振方向總共旋 轉(zhuǎn)了90°，因此從格蘭棱鏡的反射口輸出。實(shí)驗(yàn)中輸入光脈沖能量在50mJ時(shí),觀察到了受激布里淵散射的后向散射光, 并用F—P標(biāo)準(zhǔn)具觀察，可以看到由受激布里淵散射光造成的頻移，在圖2中顯 示出的是靠近亮環(huán)的較弱的那個(gè)附加環(huán)。假如在水中的會(huì)聚點(diǎn)位置上放置一個(gè)無(wú)反射特性的物體，激光既沒(méi)有從物 體表面反射的光，也無(wú)法在液體中產(chǎn)生后向受激布里淵散射，此時(shí)在格蘭棱鏡 輸出端就沒(méi)有信號(hào)輸出。用F—P標(biāo)準(zhǔn)具觀察，可以看到由受激布里淵散射光造 成的附加環(huán)消失，如圖3所示。當(dāng)改變擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)中的發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡之間距離的時(shí)候，激光就在 液體中的不同深度中會(huì)聚。檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)相應(yīng)的后向布里淵散射 信號(hào)的有無(wú)，就可以探測(cè)到水下物體存在與否以及它所在的深度。本實(shí)施例中被測(cè)物體位于水中1 0 2 0米，需要激光能量為50 250毫焦。
權(quán)利要求
1.一種后向激光受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體裝置，其特征在于在同一光軸上依次放置單縱模激光器(1)、反射鏡M1(2)、1/2波片(3)、格蘭棱鏡(4)、法拉第45°旋光器(5)、反射鏡M2(6)、發(fā)散透鏡(7)、會(huì)聚透鏡(8)、被測(cè)對(duì)象(9)、探測(cè)器(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于所 述單縱模激光器(1)的激光波長(zhǎng)M分別為1.06pm、 532nm或355nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于 所述的單縱模激光器(l)輸出單縱模激光脈沖，脈沖寬度為1 100ns，脈沖能量 為10 1000mJ，激光譜線寬度小于lGHz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于 所述的1/2波片(3)對(duì)于波長(zhǎng)為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互垂直 偏振分量產(chǎn)生18(^的位相差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于 所述的格蘭棱鏡(4)對(duì)于波長(zhǎng)為1.06pm、 532nm或355nm激光的二個(gè)相互垂直 偏振分量，水平偏振光透過(guò)，而垂直偏振光反射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于 所述的法拉第45°旋光器(5)，對(duì)于波長(zhǎng)為1.06nm、 532nm或355nm激光的二個(gè) 相互垂直偏振分量，正向或反向一次通過(guò)旋光器后，偏振方向按同一方向旋轉(zhuǎn) 45° 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的后向激光受激布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于 所述的發(fā)散透鏡(7)、會(huì)聚透鏡(8)組成發(fā)散會(huì)聚系統(tǒng)，發(fā)散透鏡(7)的焦距為一20 —40cm，會(huì)聚透鏡(8)的焦距為20~40cm。
8. —種使用如權(quán)利要求所述裝置的后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反 射物體的探測(cè)方法，其特征在于由單縱模激光器(1)發(fā)出的激光，通過(guò)反射鏡 M, (2)反射后透過(guò)l/2波片(3)，旋轉(zhuǎn)l/2波片改變偏振方向，出射光透過(guò)格 蘭棱鏡后光強(qiáng)發(fā)生改變；由格蘭棱鏡(4)出射的光通過(guò)法拉第45°旋光器(5) 后偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，再由反射鏡M2 (6)反射到由發(fā)散透鏡(7)和會(huì)聚透鏡(8)組成的擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)，從會(huì)聚透鏡出射的激光束在液體池(9)或自然水 域中會(huì)聚；當(dāng)會(huì)聚點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到該液體的受激布里淵散射的閾值光強(qiáng)的時(shí)候， 激光在液體中產(chǎn)生后向受激布里淵散射，后向散射光沿原路返回，再次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)后從反射鏡M2反射，并反向通過(guò)法拉第45°旋光器，使偏振方向繼 續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，激光的偏振方向總共旋轉(zhuǎn)了 90°，從格蘭棱鏡的反射口輸出，輸出 的后向散射激光用光電探測(cè)器(10)接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；當(dāng)在 液體的會(huì)聚點(diǎn)上存在一個(gè)無(wú)反射物體時(shí)，激光就無(wú)法在液體中產(chǎn)生后向受激布 里淵散射，就沒(méi)有電信號(hào)輸出；改變擴(kuò)束會(huì)聚系統(tǒng)中的發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡之 間距離，激光就在液體中的不同深度會(huì)聚，檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)相應(yīng)的 后向布里淵散射信號(hào)的有無(wú)，就可以探測(cè)到水下物體存在與否以及它所在的深 度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種后向受激布里淵散射探測(cè)液體中的無(wú)反射物體的裝置及方法。在同一光軸上依次放置有單縱模激光器、反射鏡M₁、1/2波片、格蘭棱鏡、法拉第45°旋光器、反射鏡M₂、發(fā)散透鏡、會(huì)聚透鏡、被測(cè)物體所在液體池以及光電探測(cè)器。本發(fā)明由單縱模激光器發(fā)出激光，通過(guò)上述系統(tǒng)后會(huì)聚在液體池中。當(dāng)會(huì)聚點(diǎn)光強(qiáng)達(dá)到液體的受激布里淵散射閾值時(shí)，產(chǎn)生的后向受激布里淵散射原路返回，從格蘭棱鏡的反射口輸出并用光電探測(cè)器接收。當(dāng)液體中的激光會(huì)聚點(diǎn)上有物體時(shí)，激光被阻擋，液體中不產(chǎn)生后向受激布里淵散射，此時(shí)就沒(méi)有信號(hào)輸出。檢測(cè)激光會(huì)聚于不同深度時(shí)后向布里淵散射信號(hào)的有無(wú)，可以探測(cè)到水下物體存在與否以及它所在的深度。
文檔編號(hào)G01B11/22GK101256242SQ20081005998
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者崇 劉, 德 徐, 趙智剛, 軍 陳, 黃立賢 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)