光通信终端光学表面污染检测装置研制及效应分析

摘要

为满足人们对于高数据率、大容量通信的需求，激光通信应运而生。激光通信载波频率高，很容易实现几Gbps的通信速率，且保密性好，因此不断发展成熟。如今，空间组网成为新的目标，故需要研制大量的光通信终端(用户、地面、近轨、中轨和高轨)。而终端的通信性能受诸多因素影响，其中光学表面污染是影响光学系统性能的一大因素，最终影响到星上终端的工作寿命。因此，有必要预估及检测光学敏感表面污染沉积量，同时研究污染效应。
　　首先，本文基于微量污染检测的基本原理，研制了10MHz镀铝石英晶体微量天平(QCM)，其理论质量灵敏度在10-9g/cm2量级。该装置的校准实验结果表明：在实际的测量周期内，表现出良好的时间稳定性，保证了污染测试的准确性；通过引入参考晶体，既基本消除了环境因素的影响，也降低了对其控温精度的要求；通过直接测量待测晶体与参考晶体频率，避免了使用混频器带来的系统复杂性和误差；通过绝对标定实验，测定实际质量灵敏度在10-8g/cm2量级，满足实际应用需求，且成本低，实用性好；通过三维有限元分析方法(3D-FEA)，表明外加电压和部分污染沉积对石英晶体质量灵敏度产生影响，导致QCM实际质量灵敏度比理论质量灵敏度低。
　　然后，本文通过地面真空试验，证实了该石英晶体微量天平用于表面污染量检测的有效性。从有机非金属材料出气模型、污染分子传输模型和污染分子沉积模型出发，建立了一套污染模型，初步分析了真空试验下的污染沉积过程，为光学表面污染预估与防护、材料筛选提供参考依据。
　　最后，本文针对光通信终端常用的卡氏光学天线，应用污染模型，仿真分析了仅遮光罩为出气污染源时，主次镜表面污染沉积速率，结果与实验量级相符。借助Zemax的镀膜功能，进行了污染效应研究，仿真分析了主次镜表面不同厚度的环氧树脂污染层，对整个光学系统光功率的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及目的意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要内容

第2章 10MHz镀铝QCM研制

2.1 引言

2.2 基本理论

2.3 QCM具体结构

2.4 石英晶体选型

2.5 本章小结

第3章 10MHz镀铝QCM校准

3.1 引言

3.2 QCM振荡频率时间稳定性

3.3 QCM频率温度关系

3.4 QCM质量灵敏度

3.5 本章小结

第4章 10MHz镀铝QCM地面验证

4.1 引言

4.2 真空试验污染量的非实时检测

4.3 真空试验污染量的实时检测

4.4 本章小结

第5章 卡氏光学天线表面污染量预估及效应研究

5.1 引言

5.2 卡氏光学天线系统分析

5.3 卡氏光学天线表面污染量预估结果

5.4 卡氏光学天线表面污染效应仿真研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢