控制指向性的水下激光声源及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：扩束镜，用于对激光进行扩束；若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸。本发明专利技术还公开了一种水下激光声源指向性的控制方法，包括：步骤1，产生激光并进行扩束；步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。本发明专利技术的水下激光声源及其控制方法实现了非接触式控制，简单易行，性能可靠。

Controlled directional underwater laser sound source and control method thereof

The invention discloses a method for controlling the directivity of underwater laser source, including laser and liquid medium for laser generated sound, between the laser and the liquid medium, is arranged along the optical arrangement: expander lens for laser beam; a plurality of cylindrical lens, the cylindrical mirror combination for the spot in the corresponding direction of the laser beam size control after formed on the liquid surface. The invention also discloses an underwater laser directivity control method, which comprises the following steps: 1, laser and beam expander; step 2, will produce laser acoustic, laser beam expanding into the liquid medium after the directivity to control the laser sound by spot formation of liquid medium surface shape adjust the. The underwater laser sound source and the control method of the invention realize non-contact control, simple and easy to operate and reliable in performance.

【技术实现步骤摘要】
控制指向性的水下激光声源及其控制方法
本专利技术涉及激光水下声源领域，尤其是涉及控制指向性的水下激光声源及其控制方法。
技术介绍
水声学的研究历史悠久，水下声源技术作为现代水声研究的一项重要技术，受到世界各国水声研究者的关注。在海洋探测领域中，水下声源应用广泛，例如深海地质探测、海洋石油探测、水下目标探测等。不同的应用环境对水下声源的频谱、声源级、方向性等特性的要求各不相同。目前，水下声源大致可分为以下几种：炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源等。这些声源的发生机理及其产生的声波特性各异，使用方式也不尽相同。炸药爆炸声源具有功率高，频带宽，无指向性等特点，但频率与指向性很难控制，性能可重复率低且会造成污染。电声换能器声源目前常用的是压电陶瓷材料制成的，其发射功率受到工作频率，功率容量等限制，信号的带宽与功率都受到一定的限制。实际应用中一般使用多个换能器组成阵列以获得所需的指向性与功率。参量阵声源利用几个大振幅高频波在水中传输时的非线性效应混频得到低频的差频波信号。其优点是换能器尺寸小，波束指向性极好，但换能效率太低。流体动力式声源主要包括采用气枪的气体动力声源与采用液体的高速射流来致声的液体动力声源，该类声源结构简单，效率较高，目前理论研究还不是很成熟，它也是一种接触式声源，控制比较复杂。电磁式换能器类似普通的电声换能器，如扬声器，简单可靠，但不适于水声应用。激光声源利用光声效应，将高能量密度的激光聚焦到水下产生光学击穿从而向外辐射声波，该方法产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势。近年来，随着激光器技术的进步，已能够产生声压级210dB以上的激光声脉冲。通过改变激光脉冲的脉冲能量跟脉宽，也可有效地控制激光水下声源的频谱特性。而对于激光水下声源的指向性，人们一直在不断探讨可对其进行控制的简单、有效方法。
技术实现思路
基于以上所提出的问题，本专利技术提供了一种简单、可行的方法，使用两组柱面镜在光束横截面内两个互相垂直的方向上分别控制激光束的形状，对激光水下声源的指向性进行有效控制。一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：扩束镜，用于对激光进行扩束；若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸。其中扩束镜使得水下激光声源更加灵活可控，便于与柱面镜的尺寸配合，同时改善激光器输出光束的准直度，使得所形成的激光声指向性更佳。所述激光器为YAG固体激光器。YAG固体激光器发射的激光束为准直激光束。扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成。通过调节凸透镜和凹透镜之间的间距，可改变光束扩束倍率。光束经过扩束透镜组后，仍为准直光束。所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。其中，两个柱面镜组合之间的距离是指两个柱面镜组合之间最近两枚柱面镜之间的最短距离。为达到良好的指向性，两个柱面镜组合之间的距离小于或等于柱面镜组合的焦距的二十分之一。其中，激光器产生的激光与液体介质表面平行，在柱面镜组合与液体介质之间还包括将激光垂直射入液体介质中45度全反射镜。为便于配置，激光器通常水平放置，与液体介质表面平行。通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质表面，有利于通过光斑形状的调整来控制激光声的指向性。通过本专利技术所提供的水下激光声源，本专利技术还提供了一种指向性控制方法，对所产生的激光声进行调整，以获得所需的指向性。一种水下激光声源的指向性控制方法，包括：步骤1，产生激光并进行扩束；步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。在液体介质表面所形成的光斑在某一方向上越接近线光斑，则在该方向上指向性越佳。在步骤2中，对于平行于液体介质表面的激光，通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质中。产生激光以及进行扩束和光斑调整通常为水平设置，为了使激光进入液体介质中，可采用用于使激光转向的光学器件，例如棱镜。作为优选，采用45度全反射镜，使得激光光能损耗较小。在步骤2中，利用沿光路布置且相互垂直的两个柱面镜组合对光斑形状进行调整，两个柱面镜组合之间的间距小于或等于柱面镜组合的焦距二十分之一，其中每个柱面镜组合由两个平行的柱面镜组成，具体调整方式为，通过调整柱面镜组合中两个柱面镜之间的距离来调整光斑在对应方向上的会聚程度。两个柱面镜组合之间的间距小于或等于柱面镜组合的焦距二十分之一，使得不同柱面镜组合之间的距离差小到可以忽略。其中，对于任意一个柱面镜组合，当两个柱面镜之间的距离使得该柱面镜组合的像距等于焦距时，光斑在对应方向上的会聚程度最高。对于任意一个柱面镜组合，像距是指准直光束从该柱面镜组合穿出后到达液体介质表面光斑沿着光路所经过的距离。利用本专利技术的水下激光声源及其指向性控制方法，通过分别调节光束横截面内互相垂直放置的柱面镜组合的焦距，可实现对两个垂直方向上的光斑尺寸的分别控制。调节激光光斑的形状，使激光束的能量分布发生改变，则能在水中获得具有不同方向特性的激光水下声源。该方法实现了非接触式控制，简单易行，性能可靠。附图说明图1为本专利技术一个实施例的结构框图；图2为本专利技术当前实施例线光斑的等离子体柱模型示意图；图3a为本专利技术当前实施例中kL＝0.6时的水下激光声源指向性图；图3b为本专利技术当前实施例中kL＝3时的水下激光声源指向性图；图3c为本专利技术当前实施例中kL＝20时的水下激光声源指向性图；图4a为本专利技术当前实施例中n＝3时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图；图4b为本专利技术当前实施例中n＝6时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图；图4c为本专利技术当前实施例中n＝20时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图。具体实施方式现结合实施例和附图对本专利技术方法进行解释。图1为本专利技术一个实施例的结构框图。如图1所示，YAG固体激光器(1)作为光源产生激光，水(7)作为用于产生指向性声源的液体介质。中在激光准直传播路径上，依次安装有由凹透镜(2)、凸透镜(3)组成的扩束透镜组、第一柱面镜组(4)和第二柱面镜组(5)、45度全反射镜(6)，其中每个柱面镜组包括两个放置方向相同的柱面镜。调节凹透镜(2)和凸透镜(3)之间的间距，可以控制扩束倍率。扩束后的光束依次经过第一柱面镜组(4)和第二柱面镜组(5)，光束形状在互相垂直的两个方向上分别发生改变。在实际应用过程中，通过调节x方向或者y方向的两只平行柱面镜之间的距离，可改变对应方向上柱面镜组的焦距，从而控制对应方向上光斑的尺寸，实现对两个垂直方向的分别控制。45度全反射镜(6)改变激光光束的传播路径，使激光束垂直水(7)表面入射到水中，在水中击穿产生指向性可控的激光水下声源。此外，本专利技术的所有光学元件都需要加镀耐强激光增透膜，以避免其在应用过程中发生损坏。如图1所示，本专利技术一个实施例的方法如下：步骤1，由YAG固体激光器(1)产生激光，并对进行扩束，得到扩束光。YAG固体激光器(1)发出激光为准直光束，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，其特征在于，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：扩束镜，用于对激光进行扩束；所述扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成；若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸；所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。

【技术特征摘要】
1.一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，其特征在于，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：扩束镜，用于对激光进行扩束；所述扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成；若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸；所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。2.如权利要求1所述控制指向性的水下激光声源，其特征在于，所述激光器为YAG固体激光器。3.如权利要求1所述控制指向性的水下激光声源，其特征在于，其中，激光器产生的激光与液体介质表面平行，在柱面镜组合与液体介质之间还包括将激光垂直射入液体介质中45度全反射镜。4.一种水下激光声源指向...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝艳宏，邓圆，金晓峰，金韬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33