[發明專利]一種利用聲波對局域大氣中光傳輸相位的調控方法

在審

• 申請號: 202210374547.2
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114660837A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 王明軍;王婉柔;成群;席建霞;李勇俊;屠思凱;余文輝
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G02F1/11
• 分類號: G02F1/11
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 楊芳

1.一種利用聲波對局域大氣中光傳輸相位的調控方法，其特征在于，光波采用平面光波和渦旋光束兩種不同的光波，波長λ＝1550nm，具體按照以下步驟實施：

步驟1：分析不同類型聲源所形成的聲場對大氣的折射率的擾動情況；

步驟2：將步驟1推廣至現實非均勻大氣，改變聲波參數，獲得不同聲波參數對非均勻大氣的折射率分布情況；

步驟3：根據步驟2建立平面光波通過平面聲場擾動的大氣模型，獲得聲場擾動大氣后的平面光波的光程和相位變化；

步驟4：建立光束直徑遠小于局域環境的渦旋光束通過平面聲場擾動的大氣模型，獲得聲場擾動后的不同高度的渦旋光束相位；

步驟5：經步驟3和步驟4后，詳細分析討論聲波擾動大氣后對光波相位傳輸特性的影響，總結變化規律，從而達到利用聲波對光波大氣中傳輸相位的調控。

2.根據權利要求1所述的一種利用聲波對局域大氣中光傳輸相位的調控方法，其特征在于，所述步驟1具體按照以下步驟實施：

步驟1.1：根據流體折射率與密度之間所滿足的定量關系式，得到聲波擾動時介質的折射率和聲壓之間的關系為：

公式(1)中，n₀為介質本身的折射率，p₀為靜態條件下的壓強，p為聲壓，γ為比熱比；

步驟1.2：根據不同聲源的聲壓公式，由式(1)得到不同聲波形成的聲場對大氣折射率的擾動。

3.根據權利要求1所述的一種利用聲波對局域大氣中光傳輸相位的調控方法，其特征在于，所述步驟2具體按照以下步驟實施：

步驟2.1：步驟1中平面波聲源擾動介質后的折射率呈規律的層均勻周期性分布，與非均勻大氣情況類似，因此在討論現實非均勻大氣，選擇平面波聲源進行進一步分析；

步驟2.2：大氣折射率隨高度變化的非均勻大氣的大氣折射度N₀為：

公式(2)中N_s為指定標準大氣的大氣折射度，λ為光學波長；式(3)中n₀為大氣折射率，P_h為大氣壓強，p₀為地表附近的大氣壓強，x為高度，H＝RT/gμ為標高,其中μ為大氣摩爾質量，R為普遍大氣常數，g為重力加速度，T為絕對溫度；

步驟2.3：將式(3)中n₀代入步驟1的式(1)中，得到聲波擾動非均勻大氣介質折射率n_f(x,t)的公式(4)為：

公式(4)中p_A為聲壓，k為波數，n₀為大氣折射率，Δn_f為由聲場引起的非均勻大氣折射率變化，x為高度,t為時間，ω為聲波角頻率；

步驟2.4：通過步驟2.3得到聲波擾動的非均勻大氣介質折射率隨高度和距離變化情況，改變聲波參數，得到不同聲波參數下非均勻大氣折射率隨高度的變化。

4.根據權利要求1所述的一種利用聲波對局域大氣中光傳輸相位的調控方法，其特征在于，所述步驟3具體按照以下步驟實施：

步驟3.1：假設入射平面光波波長λ＝1550nm，沿z軸正向進入聲場，傳播方向與聲波方向垂直，建立平面光波通過經平面聲場擾動的大氣介質的模型；

步驟3.2：由步驟3.1得到聲場引起的光學波前相位變化Δθ為：

Δθ＝k·ΔL＝k∫Δn(x,t)dz (5)

公式(5)中，ΔL為由聲場引起的光程變化，Δn為由聲場引起的折射率變化，k為波數；

步驟3.3：光程L可以表示為：

L＝∫_cndz＝∫_c(n₀+Δn)dz (6)

式(6)中n為聲波擾動后的大氣折射率，n₀為介質本身的折射率，c為光波的路徑。