[发明专利]使用激光束与薄光致变色膜的相互作用来探测湍流状态的方法以及用于实施所述方法的设备

说明书

技术领域

本发明的领域为使得能够利用在激光束的传播中产生的扰动(perturbations)来探测介质的湍流(turbulences)的方法，以及实施该方法的紧凑型设备。

背景技术

这种类型的方法同样能够用于测量湍流速率(在给定的环境中更强或更弱)并且用于测量湍流对激光束的传播的影响。

实际上，经由紧凑而分立的装置进行的对湍流的分析具有许多潜在的应用，尤其在环境领域，例如探测温度升高、在城镇中的空气移动。

对由环境湍流引起的激光束的传播的变动进行测量也能够是非常有益的。穿过湍流介质的激光束的传播在例如自由空间(大海、战场等等)中的光通信、目标的探测、成像和远距离探测方面的应用尤其具有很高的重要性。在许多这样的应用中，使用了激光与其电磁场相干特性。

在随机介质(例如在大气湍流)中传播的相干场经受随机的空间和时间畸变以及光强度的闪变，而这会导致系统的性能相当大程度地下降。这些由于在接近地表面处温度和压力的快速和持续地变化所导致的闪变在此更加严重并且更加显著，并且通过湍流而引入了波场的相结构的畸变，引起波与其自身相干涉。

这些在光束的数据和参数中的变化将基本限制引入了在自由空间中的光通信系统的发展。大气湍流的其中一个显著影响是波前的传播方向的波动，其被称作波前的到达角波动或者波前倾斜。该角度通过不同的方法进行测量。

其中一种方法在于，由于空间波动的测量对激光束行进的路径的长度高度敏感，所以通过使用CCD摄像机来同步执行对激光束的到达角和激光束的强度相对于参考的波动的差分测量(A.Consortini等,Optics Communications,216,19–23,(2003))。该波动三次方取决于行进的光程的长度。

其他方法在于使用激光束的结构化，或者利用干涉条纹并且通过分析其在多普勒激光测速仪类型的情况下的可视性(H.J.Pjeider等,J.Opt.Soc.Am.,卷70(2),167-170,(1980))，或者通过利用相同的步骤叠加参考条纹的图像和由湍流导致的条纹的图像所导致的莫尔条纹(franges de Moiré)的位移(S.Rasouli等,Opt.Lett.,31(22),3276-3278,(2006))。莫尔结构给出了到达角的波动。

在这两种情况下，由于必须为多普勒测速仪制造干涉或者必须安装两个振幅光栅并且必须确保其起始稳定性以用于莫尔技术，所以该些方法很难实施。对于波前倾斜而言，则通过使用基于哈特曼-夏克类型(type shark-hartmann)的分析方法的多项式技术来进行分析(A.V.Sergryev等,Appl.Opt.,50(20),3519-3528,(2011))，并且需要用于分析激光的波前的复杂而昂贵的系统。使用波前的到达角的波动或者波前倾斜来测量大气湍流的特征参数。折射率或C_n²的结构参数是对沿着激光束传播路径的光学湍流的力的测量。在激光在自由空间中的传播中，到达角的波动的测量是在大气湍流的研究中的基础步骤。

发明内容

在此背景下，本申请的主题是易于实施的，给出用于评估介质的湍流的设备的方法，其特别地能够与易于实施的环境空气加热现象相关联并且能够大量地部署。

更具体地，本发明的主题是用于评估介质的湍流参数的方法，其特征在于包含下述步骤：

-通过在所述介质中传播的激光束照射光致变色有机材料膜，所述光致变色有机材料可以包括偶氮苯(d’azobenzène)分子、或者螺吡喃(spyropyrane)分子、或者二苯基乙烯(stylbène)分子、或者香豆素分子(coumarine)或者俘精酸酐(fulgide)分子，所述照射在所述膜中形成包括条痕(striures)的表面格栅，该条痕的变形是湍流参数的函数；

-获得图像的步骤，所述图像包括与所述条痕相关联的结构的单独区域，所述单独区域或多或少地减少并且代表所述介质的湍流参数；

-处理所述图像的步骤，其使得能够评估所述介质的湍流参数。

根据本发明的变型，所述方法包括获取通过形成的表面格栅产生的激光束的衍射图像，所述图像展示出衍射光斑，该衍射光斑的特征取决于湍流参数。

根据本发明的变型，处理所述图像的步骤包括：

-对所述图像进行拉东变换(transformée de Radon)的操作，从而生成通过在旋转参考系中的图像运算而导出的图像，该图像运算根据属于所述图像的衍射区域生成属于导出的图像的一组峰；