控制指向性的水下激光聲源及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制指向性的水下激光聲源，包括激光器以及用于產(chǎn)生激光聲的液體介質(zhì)，在所述激光器和液體介質(zhì)之間，還設有沿光路布置的：擴束鏡，用于對激光進行擴束；若干個柱面鏡組合，各個柱面鏡組合用于控制擴束后的激光在液體介質(zhì)表面所形成光斑在對應方向上的尺寸。本發(fā)明還公開了一種水下激光聲源指向性的控制方法，包括：步驟1，產(chǎn)生激光并進行擴束；步驟2，將擴束后的激光射入液體介質(zhì)產(chǎn)生激光聲，其中，通過對液體介質(zhì)表面所形成光斑的形狀進行調(diào)整來控制激光聲的指向性。本發(fā)明的水下激光聲源及其控制方法實現(xiàn)了非接觸式控制，簡單易行，性能可靠。
【專利說明】控制指向性的水下激光聲源及其控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光水下聲源領域，尤其是涉及控制指向性的水下激光聲源及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水聲學的研究歷史悠久，水下聲源技術(shù)作為現(xiàn)代水聲研究的一項重要技術(shù)，受到世界各國水聲研究者的關(guān)注。在海洋探測領域中，水下聲源應用廣泛，例如深海地質(zhì)探測、海洋石油探測、水下目標探測等。不同的應用環(huán)境對水下聲源的頻譜、聲源級、方向性等特性的要求各不相同。目前，水下聲源大致可分為以下幾種:炸藥爆炸聲源、電聲換能器聲源、參量陣聲源、流體動力式聲源、電磁式聲源、激光聲源等。這些聲源的發(fā)生機理及其產(chǎn)生的聲波特性各異，使用方式也不盡相同。
[0003]炸藥爆炸聲源具有功率高，頻帶寬，無指向性等特點，但頻率與指向性很難控制，性能可重復率低且會造成污染。電聲換能器聲源目前常用的是壓電陶瓷材料制成的，其發(fā)射功率受到工作頻率，功率容量等限制，信號的帶寬與功率都受到一定的限制。實際應用中一般使用多個換能器組成陣列以獲得所需的指向性與功率。參量陣聲源利用幾個大振幅高頻波在水中傳輸時的非線性效應混頻得到低頻的差頻波信號。其優(yōu)點是換能器尺寸小，波束指向性極好，但換能效率太低。流體動力式聲源主要包括采用氣槍的氣體動力聲源與采用液體的高速射流來致聲的液體動力聲源，該類聲源結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，目前理論研究還不是很成熟，它也是一種接觸式聲源，控制比較復雜。電磁式換能器類似普通的電聲換能器，如揚聲器，簡單可靠，但不適于水聲應用。
[0004]激光聲源利用光聲效應，將高能量密度的激光聚焦到水下產(chǎn)生光學擊穿從而向外輻射聲波，該方法產(chǎn)生的聲信號具有聲壓級高、頻譜寬，可進行非接觸式控制等優(yōu)勢。近年來，隨著激光器技術(shù)的進步，已能夠產(chǎn)生聲壓級210dB以上的激光聲脈沖。通過改變激光脈沖的脈沖能量跟脈寬，也可有效地控制激光水下聲源的頻譜特性。而對于激光水下聲源的指向性，人們一直在不斷探討可對其進行控制的簡單、有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于以上所提出的問題，本發(fā)明提供了一種簡單、可行的方法，使用兩組柱面鏡在光束橫截面內(nèi)兩個互相垂直的方向上分別控制激光束的形狀，對激光水下聲源的指向性進行有效控制。
[0006]一種控制指向性的水下激光聲源，包括激光器以及用于產(chǎn)生激光聲的液體介質(zhì)，在所述激光器和液體介質(zhì)之間，還設有沿光路布置的:
[0007]擴束鏡，用于對激光進行擴束；
[0008]若干個柱面鏡組合，各個柱面鏡組合用于控制擴束后的激光在液體介質(zhì)表面所形成光斑在對應方向上的尺寸。
[0009]其中擴束鏡使得水下激光聲源更加靈活可控，便于與柱面鏡的尺寸配合，同時改善激光器輸出光束的準直度，使得所形成的激光聲指向性更佳。
[0010]所述激光器為YAG固體激光器。
[0011]YAG固體激光器發(fā)射的激光束為準直激光束。
[0012]擴束鏡由沿著光束傳播方向依次放置的凹透鏡和凸透鏡組成。
[0013]通過調(diào)節(jié)凸透鏡和凹透鏡之間的間距，可改變光束擴束倍率。光束經(jīng)過擴束透鏡組后，仍為準直光束。
[0014]所述柱面鏡組合為兩個，兩個柱面鏡組合之間距離固定且放置于光束橫截面內(nèi)互相垂直的方向上，每個柱面鏡組合由距離可調(diào)的兩枚柱面鏡組成，同一柱面鏡組合中的柱面鏡放置方向相同。
[0015]其中，兩個柱面鏡組合之間的距離是指兩個柱面鏡組合之間最近兩枚柱面鏡之間的最短距離。為達到良好的指向性，兩個柱面鏡組合之間的距離小于或等于柱面鏡組合的焦距的二十分之一。
[0016]其中，激光器產(chǎn)生的激光與液體介質(zhì)表面平行，在柱面鏡組合與液體介質(zhì)之間還包括將激光垂直射入液體介質(zhì)中45度全反射鏡。
[0017]為便于配置，激光器通常水平放置，與液體介質(zhì)表面平行。通過45度全反射鏡將激光垂直射入液體介質(zhì)表面，有利于通過光斑形狀的調(diào)整來控制激光聲的指向性。
[0018]通過本發(fā)明所提供的水下激光聲源，本發(fā)明還提供了一種指向性控制方法，對所產(chǎn)生的激光聲進行調(diào)整，以獲得所需的指向性。
[0019]一種水下激光聲源的指向性控制方法，包括:
[0020]步驟I，產(chǎn)生激光并進行擴束；
[0021]步驟2，將擴束后的激光射入液體介質(zhì)產(chǎn)生激光聲，其中，通過對液體介質(zhì)表面所形成光斑的形狀進行調(diào)整來控制激光聲的指向性。
[0022]在液體介質(zhì)表面所形成的光斑在某一方向上越接近線光斑，則在該方向上指向性越佳。
[0023]在步驟2中，對于平行于液體介質(zhì)表面的激光，通過45度全反射鏡將激光垂直射入液體介質(zhì)中。
[0024]產(chǎn)生激光以及進行擴束和光斑調(diào)整通常為水平設置，為了使激光進入液體介質(zhì)中，可采用用于使激光轉(zhuǎn)向的光學器件，例如棱鏡。作為優(yōu)選，采用45度全反射鏡，使得激光光能損耗較小。
[0025]在步驟2中，利用沿光路布置且相互垂直的兩個柱面鏡組合對光斑形狀進行調(diào)整，兩個柱面鏡組合之間的間距小于或等于柱面鏡組合的焦距二十分之一，其中每個柱面鏡組合由兩個平行的柱面鏡組成，具體調(diào)整方式為，通過調(diào)整柱面鏡組合中兩個柱面鏡之間的距離來調(diào)整光斑在對應方向上的會聚程度。
[0026]兩個柱面鏡組合之間的間距小于或等于柱面鏡組合的焦距二十分之一，使得不同柱面鏡組合之間的距離差小到可以忽略。
[0027]其中，對于任意一個柱面鏡組合，當兩個柱面鏡之間的距離使得該柱面鏡組合的像距等于焦距時，光斑在對應方向上的會聚程度最高。
[0028]對于任意一個柱面鏡組合，像距是指準直光束從該柱面鏡組合穿出后到達液體介質(zhì)表面光斑沿著光路所經(jīng)過的距離。[0029]利用本發(fā)明的水下激光聲源及其指向性控制方法，通過分別調(diào)節(jié)光束橫截面內(nèi)互相垂直放置的柱面鏡組合的焦距，可實現(xiàn)對兩個垂直方向上的光斑尺寸的分別控制。調(diào)節(jié)激光光斑的形狀，使激光束的能量分布發(fā)生改變，則能在水中獲得具有不同方向特性的激光水下聲源。該方法實現(xiàn)了非接觸式控制，簡單易行，性能可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖2為本發(fā)明當前實施例線光斑的等離子體柱模型示意圖；
[0032]圖3a為本發(fā)明當前實施例中kL = 0.6時的水下激光聲源指向性圖；
[0033]圖3b為本發(fā)明當前實施例中kL = 3時的水下激光聲源指向性圖；
[0034]圖3c為本發(fā)明當前實施例中kL = 20時的水下激光聲源指向性圖；
[0035]圖4a為本發(fā)明當前實施例中η = 3時線光斑等離子體柱模型對應的聲輻射方向性圖；
[0036]圖4b為本發(fā)明當前實施例中η = 6時線光斑等離子體柱模型對應的聲輻射方向性圖；
[0037]圖4c為本發(fā)明當前實施例中η = 20時線光斑等離子體柱模型對應的聲輻射方向性圖。
【具體實施方式】
[0038]現(xiàn)結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明方法進行解釋。圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0039]如圖1所示，YAG固體激光器(I)作為光源產(chǎn)生激光，水(7)作為用于產(chǎn)生指向性聲源的液體介質(zhì)。中在激光準直傳播路徑上，依次安裝有由凹透鏡(2)、凸透鏡(3)組成的擴束透鏡組、第一柱面鏡組(4)和第二柱面鏡組(5)、45度全反射鏡(6)，其中每個柱面鏡組包括兩個放置方向相同的柱面鏡。
[0040]調(diào)節(jié)凹透鏡(2)和凸透鏡(3)之間的間距，可以控制擴束倍率。擴束后的光束依次經(jīng)過第一柱面鏡組(4)和第二柱面鏡組(5)，光束形狀在互相垂直的兩個方向上分別發(fā)生改變。在實際應用過程中，通過調(diào)節(jié)X方向或者y方向的兩只平行柱面鏡之間的距離，可改變對應方向上柱面鏡組的焦距，從而控制對應方向上光斑的尺寸，實現(xiàn)對兩個垂直方向的分別控制。45度全反射鏡(6)改變激光光束的傳播路徑，使激光束垂直水(7)表面入射到水中，在水中擊穿產(chǎn)生指向性可控的激光水下聲源。此外，本發(fā)明的所有光學元件都需要加鍍耐強激光增透膜，以避免其在應用過程中發(fā)生損壞。
[0041]如圖1所示，本發(fā)明一個實施例的方法如下:
[0042]步驟1，由YAG固體激光器(I)產(chǎn)生激光，并對進行擴束，得到擴束光。
[0043]YAG固體激光器⑴發(fā)出激光為準直光束，由凹透鏡⑵和凸透鏡(3)組成的擴束透鏡組進行準直擴束，擴束后仍為準直光束。
[0044]步驟2，將擴束后 的激光射入液體介質(zhì)產(chǎn)生激光聲，其中，通過對液體介質(zhì)表面所形成光斑的形狀進行調(diào)整來控制激光聲的指向性。
[0045]經(jīng)過準直擴束之后，進入由四片柱面鏡組成的兩組光束形狀控制器(柱面鏡組合)進行形狀控制。將光傳播方向設為Z軸方向，其中第一柱面鏡組合放置于y軸方向(豎直方向)，第二柱面鏡組合放置于X軸方向(水平方向)。由于柱面鏡在沿其軸向的方向上不具有聚焦作用，因而兩組柱面鏡相互垂直放置在光束傳播方向的橫截面內(nèi)時，可分別在兩個互相垂直的方向上對光束形狀進行控制。每組柱面鏡由兩只平凸柱面鏡組成，根據(jù)柱面鏡組合的焦距計算公式:
[0046]F = F1.F2/ (FJF2-D)
[0047]式中，F(xiàn)為柱面鏡組合的焦距，F(xiàn)1與F2分別為兩枚柱面鏡的焦距，D為兩枚柱面鏡之間的距離?？梢娬{(diào)節(jié)兩枚柱面鏡之間的距離，可對X軸方向或I軸方向柱面鏡組合的焦距進行控制，相應地光斑在X軸方向或I軸方向的尺寸也將發(fā)生變化。
[0048]假設光斑在X軸方向或y軸方向被柱面鏡組合聚焦，則入射到水中的光斑將為線光斑，對應的激光聲源強度沿著線光斑方向最小，垂直線光斑時最大。當光斑在兩個方向同時聚焦時，根據(jù)兩個垂直方向的聚焦差別，可獲得圓形光斑或類橢圓形光斑。下面將分別分析各種形狀光斑對應的激光聲源的指向性。 [0049]沿y軸放置的第一柱面鏡組合距離45度全反射鏡的距離為Dl，45度全反射鏡距離水面的距離(即45度全反射鏡中心至水面距離)為D2，則柱面鏡距離水面的距離為D1+D2，調(diào)節(jié)Dl與D2使得組合柱面鏡的焦距F約等于D1+D2，調(diào)節(jié)組合柱面鏡之間的距離，組合柱面鏡焦距相應地發(fā)生變化。當減小兩組柱面鏡組之間的距離時，組合焦距(即柱面鏡組合的焦距F)減小，則入射到水面的光斑形狀在z軸方向上變窄，反之變寬。
[0050]選取D1+D2除了要遠大于兩組柱面鏡組之間的間距，還要等于柱面鏡組合的焦距。這樣兩個柱面鏡組合距離水面的距離之差就可忽略。
[0051]豎直方向Y軸經(jīng)45度全反射鏡投影到水面對應水面坐標系的z軸，水平方向的X軸對應水面坐標系的X軸。
[0052]當激光聚焦光斑為點光斑時，經(jīng)過擴束聚焦后的光束在聚焦點產(chǎn)生光致?lián)舸?，形成單個等離子體空泡，等離子體空泡迅速對外膨脹并推動周圍液體(水)形成高壓波前，隨后等離子體空泡膨脹速度驟減并與高壓波前分離，此時在遠場高壓波前衰變?yōu)槁暡ㄏ蛲鈧鞑ィ洳嚸娼魄蛎?，其聲源輻射的聲壓?
[0053]Ps = iejUot-kr、
s r
[0054]式中Ps為水下激光聲源的聲壓，A為水下激光聲源的振幅，r為觀測點距離水下激光聲源的距離，k為工作頻率的波數(shù)?？梢姶藭r聲源的指向性為水下180°方向強度均勻分布。
[0055]若聚焦光斑為沿水面切線方向的線光斑(如圖2所示)，并調(diào)節(jié)激光輸出能量使線光斑上每點的能量密度達到水的擊穿閾值，可將該光斑看成是若干點光斑的線排列，其中每個點光斑均可擊穿水體產(chǎn)生等離子體空泡，每個等離子體空泡對外膨脹產(chǎn)生的聲信號強度近似相等，相位相同，故遠場聲波輻射獲得疊加。其中每個等離子體空泡的聲壓在遠場可表示為:
[0056]ps(r,t) = -ejimt-kT+9)

T
【權(quán)利要求】
1.一種控制指向性的水下激光聲源，包括激光器以及用于產(chǎn)生激光聲的液體介質(zhì)，其特征在于，在所述激光器和液體介質(zhì)之間，還設有沿光路布置的: 擴束鏡，用于對激光進行擴束； 若干個柱面鏡組合，各個柱面鏡組合用于控制擴束后的激光在液體介質(zhì)表面所形成光斑在對應方向上的尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述控制指向性的水下激光聲源，其特征在于，所述激光器為YAG固體激光器。
3.如權(quán)利要求1所述控制指向性的水下激光聲源，其特征在于，所述擴束鏡由沿著光束傳播方向依次放置的凹透鏡和凸透鏡組成。
4.如權(quán)利要求1所述控制指向性的水下激光聲源，其特征在于，所述柱面鏡組合為兩個，兩個柱面鏡組合之間距離固定且放置于光束橫截面內(nèi)互相垂直的方向上，每個柱面鏡組合由距離可調(diào)的兩枚柱面鏡組成，同一柱面鏡組合中的柱面鏡放置方向相同。
5.如權(quán)利要求1所述控制指向性的水下激光聲源，其特征在于，其中，激光器產(chǎn)生的激光與液體介質(zhì)表面平行，在柱面鏡組合與液體介質(zhì)之間還包括將激光垂直射入液體介質(zhì)中45度全反射鏡。
6.一種水下激光聲源指向性的控制方法，其特征在于，包括: 步驟I，產(chǎn)生激光并進行擴束； 步驟2，將擴束后的激光射入液體介質(zhì)產(chǎn)生激光聲，其中，通過對液體介質(zhì)表面所形成光斑的形狀進行調(diào)整來控制激光聲的指向性。
7.如權(quán)利要求6所述水下激光聲源指向性的控制方法，其特征在于，在步驟2中，對于平行于液體介質(zhì)表面的激光，通過45度全反射鏡將激光垂直射入液體介質(zhì)中。
8.如權(quán)利要求7所述水下激光聲源指向性的控制方法，其特征在于，在步驟2中，利用沿光路布置且相互垂直的兩個柱面鏡組合對光斑形狀進行調(diào)整，兩個柱面鏡組合之間的間距小于或等于柱面鏡組合的焦距二十分之一，其中每個柱面鏡組合由兩個平行的柱面鏡組成，具體調(diào)整方式為，通過調(diào)整柱面鏡組合中兩個柱面鏡之間的距離來調(diào)整光斑在對應方向上的會聚程度。
9.如權(quán)利要求8所述水下激光聲源指向性的控制方法，其特征在于，其中，對于任意一個柱面鏡組合，當兩個柱面鏡之間的距離使得該柱面鏡組合的像距等于焦距時，光斑在對應方向上的會聚程度最高。
【文檔編號】G10K15/04GK103971672SQ201410177819
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】祝艷宏, 鄧圓, 金曉峰, 金韜 申請人:浙江大學