CN116736395A - 基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜、第一准直镜、孔径分割偏振组合结构、宽场延迟模块、第二望远镜、第二准直镜、屋脊棱镜、Wollaston棱镜、成像镜和探测器；所述屋脊棱镜设置于第二准直镜后的孔径光阑的共轭像位置。本发明采用偏振组合孔径分割的方式，避免了入射宽场延迟模块光束的分裂，使上下部分的光束以同一角度入射，解决了现有技术中探测视场受限、部分视场区域干涉条纹欠采样的问题。极大地提高了系统的可用视场范围，减小了风速反演误差。

Description

基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法

技术领域

本发明涉及大气重力波观测技术领域，尤其涉及基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法。

背景技术

大气波是大气的场参数，表现为某一大气特征参数如密度、风速的周期性扰动，这种波动能够在大气中传输，亦可能以驻波的形式存在，基于大气存在的范围考虑，大气波具有广泛的时间与空间尺度，包括全球性扰动和局部范围的波动；主要的大气波有大气行星波、大气热力潮汐和大气重力波。大气的波动是大气中能量和动量传输的重要动力学过程，这些传输过程极大地影响整个中高层大气温度、压强、风场和成分的分布。

重力波过程被认为是中高层大气中最重要的动力学过程之一。重力波过程能够解释中高层大气参量的起伏变化，说明某些暂态过程的物理原因。在热层高度上，通过碰撞耦合，重力波引起电离层扰动。因此对重力波过程全面而深入的理解，将为空间环境扰动预报提供信息，为航天活动的开展以及无线电通讯提供可靠保障。除此之外，重力波破裂产生湍流对中高层大气的输运、光化学平衡和微量成分也可能产生重要影响。

实际上，大气的运动(风场)即为大气重力波最直观的表现形式，对大气风场的探测能够直接反映大气的动力学过程，实现对大气重力波的精确被动探测。大气风场的探测主要通过观测中高层大气中气辉辐射的多普勒频移来实现。Aruhliah等人采用Fabry-Perot标准具系统来测量大气运动造成的气辉谱线频移，Englert等人研制了基于空间外差光谱技术的DASH，用于大气风场的探测。而目前国际上技术最完善、最具有发展前景的是基于Michelson核心的风成像干涉仪。但是现有的成像干涉仪都存在探测市场受限，部分市场区域干涉条纹欠采样的问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法，解决了现有成像干涉仪存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜、第一准直镜、孔径分割偏振组合结构、宽场延迟模块、第二望远镜、第二准直镜、屋脊棱镜、Wollaston棱镜、成像镜和探测器；所述屋脊棱镜设置于第二准直镜后的孔径光阑的共轭像位置；

入射光经过前置望远镜在视场光阑处成一次像，然后经过第一准直镜成为平行光束，入射到孔径分割偏振组合模块，经过孔径分割偏振组合模块将光束调制为偏振态不同的两个部分，但仍然为视场角相同的同一光束，光束通过宽场延迟模块经第二望远镜在二次像面处成像，再通过第二准直镜成为平行光束，光束通过屋脊棱镜沿y轴分裂为两束光，然后两束光入射Wollaston棱镜，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，共形成四束传播方向不同的平行光束经过成像镜后在探测器上成像。

所述孔径分割偏振组合模块包括沿y轴方向排列的第一偏振片、第二偏振片和四分之一波片；所述第一偏振片的透振方向沿y轴方向，第二偏振片的透振方向沿x轴方向，四分之一波片光轴方向与x轴的正向夹角为45°，四分之一波片设置在xoy平面内且位于第二偏振片背光面位置处。

所述宽场延迟模块包括沿z轴方向依次排列的第一铌酸锂晶体、半波片和第二铌酸锂晶体；所述第一铌酸锂晶体光轴方向与x轴正向夹角为45°，其光轴在xoy平面内；所述半波片光轴方向沿y轴正方向；所述第二铌酸锂晶体光轴方向与x轴正向夹角为135°，其光轴在xoy平面内。

基于双折射晶体的大气重力波干涉成像方法，所述成像方法包括：

入射光经过穹顶的前置望远镜在视场光阑出成一次像，然后经过第一准直镜成为平行光束入射到位于孔径光阑位置处的孔径分割偏振组合模块，孔径分割偏振组合模块根据Jones矩阵表示法将光束调制为偏振态不同的两部分，但仍然为视场角相同的同一光束；

光束通过宽场延迟模块入射到第二望远镜在二次像面处成像，再经过第二准直镜成为平行光束；

光束通过位于第二准直镜后孔径光阑共轭像处的屋脊棱镜沿y轴分裂为两束光，两束光输入到Wollaston棱镜，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，形成四束传播方向不同的平行光束；

四束平行光束经过成像镜后在探测器上形成四幅强度分别为 和/>的干涉图。

所述孔径分割偏振组合模块根据Jones矩阵表示法，第一偏振片的Jones矩阵表示为第二偏振片的Jones矩阵表示为/>四分之一波片的Jones矩阵表示为/>

所述宽场延迟模块根据Jones矩阵表示法，第一铌酸锂晶体和第二铌酸锂晶体的Jones矩阵表示为：

其中，

其中，θ为光线的入射角，φ为从入射面沿逆时针方向到晶体光轴正方向的角度，δ_o和δ_e分别为晶体对寻常光和非寻常光引入的相位延迟。n_o和n_e分别为寻常光和非寻常光的折射率。

半波片的Jones矩阵表示为

本发明具有以下优点：一种基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪及成像方法，采用偏振组合孔径分割的方式，避免了入射宽场延迟模块光束的分裂，使上下部分的光束以同一角度入射，解决了现有技术中探测视场受限、部分视场区域干涉条纹欠采样的问题。极大地提高了系统的可用视场范围，减小了风速反演误差。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中孔径分割偏振组合模块的结构示意图；

图3为本发明中宽场延迟模块的结构示意图；

图4为本发明的模拟干涉成像结果示意图；

图中：1-前置望远镜，2-第一准直镜，3-孔径分割偏振组合模块，4-宽场延迟模块，5-第二望远镜，6-第二准直镜，7-屋脊棱镜，8-Wollaston棱镜，9-成像镜，10-探测器，21-第一偏振片，22-第二偏振片，23-四分之一波片，31-第一铌酸锂晶体，32-半波片，33-第二铌酸锂晶体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明具体涉及一种基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪沿入射光纤的主光轴方向为z轴方向，垂直纸面向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系。沿z轴正方向依次设置有前置望远镜1、第一准直镜2、孔径分割偏振组合模块3、宽场延迟模块4、第二望远镜5、第二准直镜6、屋脊棱镜7、Wollaston棱镜8、成像镜9以及探测器10。

进一步地，如图2所示，孔径分割偏振组合模块3包含沿y方向排列的两部分，第一部分为一块透振方向沿y轴方向的第一偏振片21，第二部分为一块透振方向沿x轴方向的第二偏振片22和一块光轴方向与x轴正向夹角为45度的四分之一波片23的组合，其中四分之一波片23的光轴在xoy平面内。

如图3所示，宽场延迟模块4包含沿z轴方向排列的三部分，第一部分为光轴方向与x轴正向夹角为45度的第一铌酸锂晶体31，其光轴在xoy平面内，第二部分为光轴方向沿y轴正方向的半波片32，第三部分为光轴方向与x轴正向夹角为135度的第二铌酸锂晶体33，其光轴在xoy平面内；通过宽场延迟模块4给入射的两束光线产生不同的延迟量，并且这个模块的这种组合能够减缓光程差随视场角的变化，实现宽场效果。。

本发明的干涉成像观测仪直立放置于地面，对天空进行观测，目标为波长630.0nm的O¹D红线。入射光经过穹顶的前置望远镜1在视场光阑处成一次像，然后经过第一准直镜2成为平行光束，入射位于孔径光阑位置处的孔径分割偏振组合模块3。根据Jones矩阵表示法，第一偏振片21的Jones矩阵可以表示为：进而建立基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪的理论模型；

第二偏振片22的Jones矩阵可以表示为：四分之一波片23的Jones矩阵可以表示为：/>i表示虚数单位。

经过孔径分割偏振组合模块3调制，光束变为偏振态不同的两个部分，但仍然为视场角相同的同一光束。接下来，光束通过宽场延迟模块4，第一铌酸锂晶体31和第二铌酸锂晶体33的Jones矩阵可以表示为：

其中，

其中，θ为光线的入射角，φ为从入射面沿逆时针方向到晶体光轴正方向的角度，δ_o和δ_e分别为晶体对寻常光和非寻常光引入的相位延迟。n_o和n_e分别为寻常光和非寻常光的折射率。半波片的Jones矩阵表示为

出射宽场延迟模块4的光经第二望远镜5在二次像面处成像，再经第二准直镜6成为平行光束。屋脊棱镜7位于第二准直镜6后的孔径光阑的共轭像处，光束通过屋脊棱镜7沿y轴分裂为两束光。然后两束光入射Wollaston棱镜8，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，共形成四束传播方向不同的平行光束。四束平行光经过成像镜9，在探测器10上形成四幅干涉图。由Jones矩阵运算可得，四幅干涉图像强度分别为： 和/>Ф表示总相位；

利用这四个干涉强度进行反演运算，可以获得大气重力波数据。

本发明将第一铌酸锂晶体31和第二铌酸锂晶体33的通光面尺寸设置为50mm×50mm，沿z轴方向的长度设置为40mm，使用光学设计软件进行建模，获得的四分区干涉图如图4所示，四幅干涉图强度随四个相位步进而变化，能够实现大气重力波的四强度法测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，其特征在于：沿入射光线的主光轴方向为z轴方向，垂直于主光轴向里的方向为x轴方向，构建满足右手定则的xyz坐标系；它包括沿入射光线依次设置的前置望远镜(1)、第一准直镜(2)、孔径分割偏振组合结构(3)、宽场延迟模块(4)、第二望远镜(5)、第二准直镜(6)、屋脊棱镜(7)、Wollaston棱镜(8)、成像镜(9)和探测器(10)；所述屋脊棱镜(7)设置于第二准直镜(6)后的孔径光阑的共轭像位置；

入射光经过前置望远镜(1)在视场光阑处成一次像，然后经过第一准直镜(2)成为平行光束，入射到孔径分割偏振组合模块(3)，经过孔径分割偏振组合模块(3)将光束调制为偏振态不同的两个部分，但仍然为视场角相同的同一光束，光束通过宽场延迟模块(4)经第二望远镜(5)在二次像面处成像，再通过第二准直镜(6)成为平行光束，光束通过屋脊棱镜(7)沿y轴分裂为两束光，然后两束光入射Wollaston棱镜(8)，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，共形成四束传播方向不同的平行光束经过成像镜(9)后在探测器(10)上成像。

2.根据权利要求1所述的基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，其特征在于：所述孔径分割偏振组合模块(3)包括沿y轴方向排列的第一偏振片(21)、第二偏振片(22)和四分之一波片(23)；所述第一偏振片(21)的透振方向沿y轴方向，第二偏振片(22)的透振方向沿x轴方向，四分之一波片(23)光轴方向与x轴的正向夹角为45°，四分之一波片(23)设置在xoy平面内且位于第二偏振片(22)背光面位置处。

3.根据权利要求1所述的基于双折射晶体的大气重力波干涉成像观测仪，其特征在于：所述宽场延迟模块(4)包括沿z轴方向依次排列的第一铌酸锂晶体(31)、半波片(32)和第二铌酸锂晶体(33)；所述第一铌酸锂晶体(31)光轴方向与x轴正向夹角为45°，其光轴在xoy平面内；所述半波片(32)光轴方向沿y轴正方向；所述第二铌酸锂晶体(32)光轴方向与x轴正向夹角为135°，其光轴在xoy平面内。

4.基于双折射晶体的大气重力波干涉成像方法，其特征在于：所述成像方法包括：

入射光经过穹顶的前置望远镜(1)在视场光阑出成一次像，然后经过第一准直镜(2)成为平行光束入射到位于孔径光阑位置处的孔径分割偏振组合模块(3)，孔径分割偏振组合模块(3)根据Jones矩阵表示法将光束调制为偏振态不同的两部分，但仍然为视场角相同的同一光束；

光束通过宽场延迟模块(4)入射到第二望远镜(5)在二次像面处成像，再经过第二准直镜(6)成为平行光束；

光束通过位于第二准直镜(6)后孔径光阑共轭像处的屋脊棱镜(7)沿y轴分裂为两束光，两束光输入到Wollaston棱镜(8)，每束光再沿x轴分裂为偏振方向相互正交的两束光，形成四束传播方向不同的平行光束；

四束平行光束经过成像镜(9)后在探测器(10)上形成四幅强度分别为 和/>的干涉图。