激光水下致声器制造技术

本发明专利技术涉及一种激光水下致声器。它利用水介质对特定激光波长如2‑3微米激光的超强吸收作用，以及特定的激光脉冲形状，将激光能量在水下最大限度地转化为一定频率范围的声波能量，成为一种无需其他声换能器配合的水下激光致声器，特别适于水下机动平台使用。激光水下致声器可由2‑3微米范围内的多台单一波长激光器组成。它们同步工作时，有利于生成水下强声场信号；它们错时工作时，有利于生成水下低声频信号；通过改变激光器的脉冲能量或重复频率，可生成具有不同尺寸或不同声频的水下气泡；通过改变传导光纤输出端面的形状，可对声波的传输方向进行控制。

【技术实现步骤摘要】
激光水下致声器
本专利技术属于激光水下致声
该装置利用水介质对2-3微米激光的超强吸收特性，通过激光与水介质的相互作用，将激光能量直接而高效地转化为一定频率范围的声波信号，是一种无需专门声换能器配合的水下激光致声器，适用于水下机动平台使用。
技术介绍
长期以来，声呐一直是水下探测/通信的主要手段，甚至是唯一手段。最近二十年来，随着水下组网通信及对隐声目标探测的紧迫需求，一些非声探测技术，以及非声-声探测相结合的技术开始受到重视。众所周知，自上世纪70年代以来，蓝绿激光探潜技术得以发展。经几十年努力，现已有一些典型的机载激光探测系统投入使用，但即使在深海良好水域，激光水下直接探测距离也不过百米。为解决这一难题，近年来国外又提出一种将激光与声探测相结合的激光水下致声技术，并先后开展了0.532微米、1.06微米和10.6微米激光的水下致声效应研究，但需在专门的激光-声换能器配合下方能产生声波信号，且多位于几十千赫兹-兆赫兹的高频声波范围，加之系统整体比较复杂，故至今未见实际应用的报道。本专利技术提出的是一种基于2-3微米的激光水下致声新方法。该方法充分利用水介质对2-3微米激光的超强吸收作用(见附图1，3微米位于水的吸收峰，吸收系数达13200cm-1)，激光一旦入水，其能量随即被水全部吸收，不仅可大幅提高激光-声的转换效率，降低水下平台的承载压力，且无需再配任何其他的辅助声换能器，特别适合水下机动平台拖曳使用。此外，还可通过改变2-3微米激光器组的发射组合方式、输出功率大小与脉冲宽度，生成目前水下急需的低频、强场声信号，提高水下探测距离；或通过改变2-3微米激光器组的输出波长、功率和重复频率，生成不同尺寸的水下气泡群，用于模拟水下物体运动产生的气泡尾流进行欺骗诱导，也可形成水下气泡屏障，实现对声波探测信号的阻断。目前，实现本专利技术激光水下致声器的主要技术已趋于成熟。其中，2-3微米波长的激光器已有多款产品，如灯泵钬激光器，波长2微米、重频几十赫兹、平均功率达百瓦；灯泵掺铒YAG激光器，波长2.94微米、重频几十赫兹、平均功率达130W；再如LD泵浦的2-3微米激光器目前也有产品出售，脉冲能量为数百毫焦或焦耳级，重复频率可达数千赫兹。此外，可用于2-3微米激光输出光束传输的光纤或光缆也有配套产品。如2微米医用传导光纤已有多种型号，广泛用于内分泌和腹腔碎石等临床手术；适用于3微米波段的传导光纤发展较晚，近期才陆续有产品报道，因其制作材料的成本高(蓝宝石或其他氟化物材料)，所以目前价格较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是瞄准水下低声频探测或通信需求，设计一种基于2-3微米强水吸收激光的水下激光致声器。本专利技术水下激光致声器是按下述方案实现的，它包括2-3微米激光器组、激光器电源、光纤耦合器组、传导光纤组、控制箱和光纤输出支架。其中，激光器组中每台激光器的技术参数为：输出波长为2-3微米中的一支波长，脉冲能量0.1-5J，重复频率1-40Hz，脉冲宽度10ns-0.3ms。激光器电源为激光器组提供配套工作电源。光纤耦合器组包括与每台激光器相对应的多路光纤耦合器。传导光纤组包括与多路光纤耦合器相对应的多根传导光纤，每根光纤耦合器的输入端与相对应的激光器输出端相连，每路光纤耦合器的输出端与相对应的传导光纤相连。每根传导光纤的输出端可被加工成特定形状的圆透镜，或如斜面或抛物面的反射面，前者有利于压缩输出光束的发散角，控制声波的传输角度，后者则可通过改变传导光纤的出射激光指向，实现对激光致声信号传播方向的控制。光纤输出支架用于固定和安装传导光纤组的输出端，该支架可放置在水下承载平台光学窗口附近，或可直接入水。控制器通过控制激光器电源实现对激光器组工作状态的改变，如控制激光器发射脉冲的时间，可形成钟形、矩形、前陡后缓形或前缓后陡形等脉冲形状，有利于形成不同的声波频率信号；如控制多台激光器同步工作，可实现激光脉冲输出能量的空间叠加，达几十到上百焦耳能量，有利于水下强声场信号的生成；如控制多台激光器错时工作，可将多个发射脉冲从时间上依次衔接起来，形成ms以上宽度的脉冲激光信号，有利于水下低声频信号的生成；如改变激光器的脉冲能量或重复频率，还可生成具有不同尺寸或声频范围的水下气泡，形成一种声诱饵或造成一种声屏障效应。本专利技术无声换能器的水下激光致声器的优点是：1、利用水介质对2-3微米激光的超强吸收作用，大幅提高激光水下致声的转换效率，降低对水下小平台承载与供电的压力；2、利用传导光纤将激光束直接引入水中，激光一旦遇水随即产生声波，无需再设置其它专门的声换能器，系统简单、轻巧、方便水下拖曳使用。附图说明图1水对光的吸收曲线图2本专利技术水下激光致声器原理框图图3本专利技术水下激光致声器输出结构示意图具体实施方式本专利技术是一种无声换能器的水下激光致声器。图2给出水下激光致声器原理框图，图3给出水下激光致声器结构示意图。下面仅以激光器组中5台激光器为例，结合附图进行详细描述。水下致声器由2-3微米激光器组1、激光器电源2、光纤耦合器组3、传导光纤组4、控制箱5和支架6构成。其中，2-3微米激光器组1由5台2.94微米固体脉冲激光器的主机组成，每台激光器的输出波长2.94微米，脉冲能量0.1-5J，重复频率1-40Hz，脉冲宽度0.3ms，采取氙灯泵浦方式。激光器电源2具备保障5台激光器同时工作的供电能力，触发频率最高可达200Hz。通过改变激光器的电源参数，可改变激光脉冲的输出形状，如成钟形、矩形、前陡后缓形或前缓后陡形等。控制器5为整个激光水下致声器的控制中心，它通过控制激光器电源2，可改变每台激光器的脉冲发射时间、脉冲能量、重复频率及脉冲形状，时间控制精度优于10微秒、可变脉冲波形不少于3种。光纤耦合器组3包括5个光纤耦合器，传导光纤组4包括与光纤耦合器配套的5根传导光纤，激光器组1中的每台激光器分别对应1个光纤耦合器与1根传导光纤。传导光纤采用适合2-3微米激光传输的材质，可为实心光纤或为空心导管。传导光纤的输出端面可被加工成园透镜或斜面、抛物面等反射面，通过改变传导光纤出射激光的指向，实现对激光致声信号传播方向的控制。5根传导光纤的输出端被捆扎在一起，固定安装在输出支架6上，该支架或放置在水下承载平台光学窗口附近，或可直接插入到水中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光水下致声器，它采用一类对水介质具有强烈吸收特性的激光器，通过水介质对该波段激光能量的超强吸收作用，及对激光输出脉冲形状的多样化控制，在水介质中产生一定声波频率范围的声信号。

【技术特征摘要】
1.一种激光水下致声器，它采用一类对水介质具有强烈吸收特性的激光器，通过水介质对该波段激光能量的超强吸收作用，及对激光输出脉冲形状的多样化控制，在水介质中产生一定声波频率范围的声信号。2.权利要求1中，激光水下致声器由2-3微米激光器组、激光器电源、光纤耦合器组、传导光纤组、光纤输出支架和控制器组成。3.权利要求2中，2-3微米激光器组中的激光器输出波长可在1.97微米、2.01微米、2.12微米、2.79微米和(或)2.94微米中选择，由于2.94微米最接近水的最高吸收峰，故为激光水下致声器首选。4.权利要求2中，2-3微米激光器组由1台以上同一波长或不同波长的脉冲激光器组成，类型可为固体激光器、光纤激光器或半导体激光器，主要技术参数为：脉冲能量0.1J-5J，重复频率1H...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖林，侯晓帆，韩龙，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：北京华夏光谷光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11