空间激光通信系统中光束整形技术研究
发布时间：2021-02-06 06:02
空间激光通信与传统的射频通信不同,使用激光光束作为传播信息的载体,激光光束发散角小接近衍射极限,因此指向性好,解决了传统射频通信功率大,保密性不高的问题;同时激光具有相干性,频谱资源丰富,借助光混频器进行高灵敏度的相干接收可实现超高容量的信息通信,与常用的强度调制/直接探测方式相比优势巨大。激光通信涉及到多项关键技术,在对激光光束的处理过程中还存在着很多问题有待解决。本文首先分析了空间激光通信系统中的几项关键技术,提出了目前存在的问题,并使用非球面光束整形镜组来改善这些问题。a)光学天线一般使用卡塞格林光学系统,是一种反射式望远镜,次镜会对中心光束造成遮挡。激光光束为高斯分布,中间强度大,边缘强度小,采用非球面整形镜对光束进行整形处理再经过光学天线发射可减小天线次镜遮挡造成的能量损失,将激光光束的振幅分布模式由高斯分布改变为均匀分布,与不加入整形功能的光学天线相比,其发射效率可提高11%。b)空间光束进入到光学系统后需要耦合进单模光纤中,然而由于入射光束和单模光纤模式不匹配问题,远距离传播后的光束即使排除大气湍流、接收端的像差等因素后仍不能较高效率的耦合进单模光纤中,借助反射式光束整形...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体激光器光束出射图[5]
2图1.1半导体激光器光束出射图[5]国外关于光束整形的研究最早可以追溯到1965年B.R.Frieden[6]提出的通过双折射透镜组对激光光束进行光强分布的重新变换。Frieden采用能量守恒定律来重新分配出射面的光强分布，从而进行准直校正。1969年J.L.Kreuzer[7]也提出了类似的理论。2000年JohnA.Hoffnagle和MichaelJefferson[8]在IBM的研究实验中心描述了包含两个非球面透镜的系统，其有效地将准直的高斯光束转换为平顶光束。基本要点是共同使用具有凸面，非球面表面的正透镜，并选择适当归一化和连续的输出功率分布，在径向最大限度的减少衍射效应。通过使用低色散材料制作镜片，只需要一种结构即可对深紫外到近红外的任何波长进行强度变换。通过理论输出曲线和实验测量的强度分布的定量一致性来说明设计的实用性，表明非球面光学系统的整体图形是准确实现的。该光束可以传播0.5米而没有明显的均匀性损失。测量的输出光束光场强度分布与理想轮廓的偏差主要是由于所制造的光学表面与理想形状的小的局部偏差。在小尺寸镜片上去除量约13微米，这对于标准磁流变抛光系统也是有难度的。光束传播对图形误差非常敏感，小的准直误差也会在光束传播时引起明显的强度重新分配，如下图1.2所示。从图中可以看到当光束传播距离小于500mm时，光场强度分配图没有明显变化，如图1.2中的(a)，(b)，(c)所示；当距离再增加，光场强度分配逐渐发生变化，中心强度开始出现凹陷，不能保持均匀强度分布，如图1.2中的(d)，(e)，(f)所示。图1.2不同传播距离处CCD传感器上的图像以及相应的光强分配图像[8]。a)D=25mm;b)D=225mm;c)D=425mm;d)D=625mm;e)D=1025mm;f)D=1425m.
32006年DavidL.Shealy和JohnA.Hoffnagle[9]分析了四个用来描述平顶辐照度分布的函数类型：超高斯型；平顶高斯型；费米-狄拉克型和超洛伦兹型。确定不同分布的形状和宽度参数，当每个函数都具有相同的半径和半径高度时，评估匹配的轮廓形状和宽度参数之间的函数关系。通过使用基尔霍夫-菲涅尔衍射理论和M2分析衍射模式，示意图如图1.3所示，图中(a)为超洛伦兹型，匹配的参数q=16.4，R=0.9295；图中(b)为费米-狄拉克型，匹配的参数β=16.2，R=0.9295；图中(c)为平顶高斯型，匹配的参数N=18，R=1；图中(d)为超高斯型，匹配的参数p=11.14，R=1.0222.实线表示菲涅尔数为15时的辐照度分布；虚线表示菲涅尔数为10时的辐照度分布；点虚线菲涅尔数为5时的辐照度分布。从中可以得出结论：四个函数的衍射图案差别很小，可能无法通过实验区分。因此，光束整形器件可以被设计成这四种函数类型中的任意一种。匹配的参数将产生相似的辐照度分布。图1.3超高斯型；平顶高斯型；费米-狄拉克型和超洛伦兹型函数图像[9]国内还有借助衍射光学元件进行光束整形的相关研究。2007年林勇[10]等人为了改善高密度全息存储中入射到记录介质上光斑的质量,提高存储密度,在参考光束中加入了衍射光学元件将高斯光束的圆形光束整形为均匀分布的矩形光束，如图1.4所示，其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。此方法可以使输出光束光场分布具有很好的顶部均匀度，采用了模糊控制迭代算法来减小均方根误差，可以用来设计光束整形衍射元件，主要用于小功率的激光器，例如林勇在文中提到的全息存储技术。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光束整形衍射光学元件的优化算法[J]. 李昕颖,钱晓凡,孟妮妮. 光学学报. 2019(11)
[2]空间光到单模光纤章动耦合技术研究[J]. 赵佰秋,孟立新,于笑楠,张立中,佟首峰. 中国激光. 2019(11)
[3]非球面整形镜在空间激光通信终端中的应用[J]. 宋志化,江伦,曹海帅,佟首峰. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[4]高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法[J]. 张爽,秦华,杨开,刘珍. 红外与激光工程. 2017(12)
[5]空间光混频器分光比调整与90°相位差补偿方法[J]. 曹海帅,江伦,张鹏,南航,佟首峰,张立中. 光子学报. 2017(06)
[6]大气湍流下带有跟踪误差的空间相干光通信性能分析[J]. 南航,张鹏,佟首峰,陈纯毅. 光子学报. 2015(08)
[7]基于双曲面基底微透镜阵列的半导体激光器整形系统设计[J]. 殷智勇,汪岳峰,尹韶云,强继平,雷呈强,孙秀辉,杨凯. 中国激光. 2013(06)
[8]基于液晶空间光调制器的激光束整形[J]. 于晓晨,胡家升,王连宝. 光学学报. 2012(05)
[9]高阶模高斯光束整形方法研究[J]. 高瑀含,安志勇,李丽娟,王劲松. 光学与光电技术. 2011(05)
[10]信号与本振光振幅分布对星间相干光通信系统混频效率的影响[J]. 刘宏展,纪越峰,许楠,刘立人. 光学学报. 2011(10)
博士论文
[1]自由空间光通信中的光耦合及光束控制技术研究[D]. 雷思琛.西安理工大学 2016
[2]激光空间相干度对光纤耦合的自差接收系统性能影响研究[D]. 李梦男.哈尔滨工业大学 2016
[3]高斯光束整形技术研究[D]. 高瑀含.长春理工大学 2012
[4]基于单模光纤耦合自差探测星间光通信系统接收性能研究[D]. 赵芳.哈尔滨工业大学 2011
[5]采用光纤耦合及光放大接收的星地光通信系统及关键技术[D]. 向劲松.电子科技大学 2007
硕士论文
[1]新型结构准直系统设计与激光束耦合分析[D]. 田雨.电子科技大学 2018
[2]零差相干激光通信系统中高效率空间混频器设计与测试[D]. 曹海帅.长春理工大学 2018
[3]相干光通信的关键技术研究[D]. 刘永畅.东南大学 2017
[4]提高空间光通信系统耦合效率的研究[D]. 吴子开.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[5]光通信系统中的激光准直与耦合技术研究[D]. 王冰.电子科技大学 2014
[6]高斯光束整形为平顶光束整形系统的研究与设计[D]. 陈凯.北京工业大学 2011
[7]相干光通信中的90°光混频器[D]. 周凌尧.电子科技大学 2011
本文编号：3020275
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体激光器光束出射图[5]
2图1.1半导体激光器光束出射图[5]国外关于光束整形的研究最早可以追溯到1965年B.R.Frieden[6]提出的通过双折射透镜组对激光光束进行光强分布的重新变换。Frieden采用能量守恒定律来重新分配出射面的光强分布，从而进行准直校正。1969年J.L.Kreuzer[7]也提出了类似的理论。2000年JohnA.Hoffnagle和MichaelJefferson[8]在IBM的研究实验中心描述了包含两个非球面透镜的系统，其有效地将准直的高斯光束转换为平顶光束。基本要点是共同使用具有凸面，非球面表面的正透镜，并选择适当归一化和连续的输出功率分布，在径向最大限度的减少衍射效应。通过使用低色散材料制作镜片，只需要一种结构即可对深紫外到近红外的任何波长进行强度变换。通过理论输出曲线和实验测量的强度分布的定量一致性来说明设计的实用性，表明非球面光学系统的整体图形是准确实现的。该光束可以传播0.5米而没有明显的均匀性损失。测量的输出光束光场强度分布与理想轮廓的偏差主要是由于所制造的光学表面与理想形状的小的局部偏差。在小尺寸镜片上去除量约13微米，这对于标准磁流变抛光系统也是有难度的。光束传播对图形误差非常敏感，小的准直误差也会在光束传播时引起明显的强度重新分配，如下图1.2所示。从图中可以看到当光束传播距离小于500mm时，光场强度分配图没有明显变化，如图1.2中的(a)，(b)，(c)所示；当距离再增加，光场强度分配逐渐发生变化，中心强度开始出现凹陷，不能保持均匀强度分布，如图1.2中的(d)，(e)，(f)所示。图1.2不同传播距离处CCD传感器上的图像以及相应的光强分配图像[8]。a)D=25mm;b)D=225mm;c)D=425mm;d)D=625mm;e)D=1025mm;f)D=1425m.
32006年DavidL.Shealy和JohnA.Hoffnagle[9]分析了四个用来描述平顶辐照度分布的函数类型：超高斯型；平顶高斯型；费米-狄拉克型和超洛伦兹型。确定不同分布的形状和宽度参数，当每个函数都具有相同的半径和半径高度时，评估匹配的轮廓形状和宽度参数之间的函数关系。通过使用基尔霍夫-菲涅尔衍射理论和M2分析衍射模式，示意图如图1.3所示，图中(a)为超洛伦兹型，匹配的参数q=16.4，R=0.9295；图中(b)为费米-狄拉克型，匹配的参数β=16.2，R=0.9295；图中(c)为平顶高斯型，匹配的参数N=18，R=1；图中(d)为超高斯型，匹配的参数p=11.14，R=1.0222.实线表示菲涅尔数为15时的辐照度分布；虚线表示菲涅尔数为10时的辐照度分布；点虚线菲涅尔数为5时的辐照度分布。从中可以得出结论：四个函数的衍射图案差别很小，可能无法通过实验区分。因此，光束整形器件可以被设计成这四种函数类型中的任意一种。匹配的参数将产生相似的辐照度分布。图1.3超高斯型；平顶高斯型；费米-狄拉克型和超洛伦兹型函数图像[9]国内还有借助衍射光学元件进行光束整形的相关研究。2007年林勇[10]等人为了改善高密度全息存储中入射到记录介质上光斑的质量,提高存储密度,在参考光束中加入了衍射光学元件将高斯光束的圆形光束整形为均匀分布的矩形光束，如图1.4所示，其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。此方法可以使输出光束光场分布具有很好的顶部均匀度，采用了模糊控制迭代算法来减小均方根误差，可以用来设计光束整形衍射元件，主要用于小功率的激光器，例如林勇在文中提到的全息存储技术。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光束整形衍射光学元件的优化算法[J]. 李昕颖,钱晓凡,孟妮妮. 光学学报. 2019(11)
[2]空间光到单模光纤章动耦合技术研究[J]. 赵佰秋,孟立新,于笑楠,张立中,佟首峰. 中国激光. 2019(11)
[3]非球面整形镜在空间激光通信终端中的应用[J]. 宋志化,江伦,曹海帅,佟首峰. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[4]高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法[J]. 张爽,秦华,杨开,刘珍. 红外与激光工程. 2017(12)
[5]空间光混频器分光比调整与90°相位差补偿方法[J]. 曹海帅,江伦,张鹏,南航,佟首峰,张立中. 光子学报. 2017(06)
[6]大气湍流下带有跟踪误差的空间相干光通信性能分析[J]. 南航,张鹏,佟首峰,陈纯毅. 光子学报. 2015(08)
[7]基于双曲面基底微透镜阵列的半导体激光器整形系统设计[J]. 殷智勇,汪岳峰,尹韶云,强继平,雷呈强,孙秀辉,杨凯. 中国激光. 2013(06)
[8]基于液晶空间光调制器的激光束整形[J]. 于晓晨,胡家升,王连宝. 光学学报. 2012(05)
[9]高阶模高斯光束整形方法研究[J]. 高瑀含,安志勇,李丽娟,王劲松. 光学与光电技术. 2011(05)
[10]信号与本振光振幅分布对星间相干光通信系统混频效率的影响[J]. 刘宏展,纪越峰,许楠,刘立人. 光学学报. 2011(10)
博士论文
[1]自由空间光通信中的光耦合及光束控制技术研究[D]. 雷思琛.西安理工大学 2016
[2]激光空间相干度对光纤耦合的自差接收系统性能影响研究[D]. 李梦男.哈尔滨工业大学 2016
[3]高斯光束整形技术研究[D]. 高瑀含.长春理工大学 2012
[4]基于单模光纤耦合自差探测星间光通信系统接收性能研究[D]. 赵芳.哈尔滨工业大学 2011
[5]采用光纤耦合及光放大接收的星地光通信系统及关键技术[D]. 向劲松.电子科技大学 2007
硕士论文
[1]新型结构准直系统设计与激光束耦合分析[D]. 田雨.电子科技大学 2018
[2]零差相干激光通信系统中高效率空间混频器设计与测试[D]. 曹海帅.长春理工大学 2018
[3]相干光通信的关键技术研究[D]. 刘永畅.东南大学 2017
[4]提高空间光通信系统耦合效率的研究[D]. 吴子开.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[5]光通信系统中的激光准直与耦合技术研究[D]. 王冰.电子科技大学 2014
[6]高斯光束整形为平顶光束整形系统的研究与设计[D]. 陈凯.北京工业大学 2011
[7]相干光通信中的90°光混频器[D]. 周凌尧.电子科技大学 2011
本文编号：3020275
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