卫星光通信中基于二元光学元件的信标光接收技术研究

摘要

卫星光通信(Inter-satellite Optical Communications,IOC)是一种以激光作为信息载体在卫星间进行高速数据传输的通信方式。随着通信技术向高速率、大容量的发展,IOC已成为现代大容量空间通信领域的一个重要研究方向,越来越多的国家相继开展了该方向的研究,其中实现光通信终端的小型化、轻量化的设计一直是卫星光通信的研究热点。由于二元光学元件(BOE,Binary Optical Element)具有体积小、重量轻、易于复制等诸多优点,将该技术应用到IOC系统中也逐渐引起了重视。
　　本文以IOC信标光接收系统为研究对象,提出了用BOE替代传统的信标光接收聚焦系统,设计了一种BOE可实现将信标光束聚焦到CCD位置探测器,并根据捕获、跟踪中信标光聚焦光学系统的设计指标评价了元件性能。
　　基于标量衍射理论,利用改进的算法-AA算法设计了聚焦BOE的相位函数,并对设计得到的相位函数进行了仿真验证,分析了光束入射角对其输出光场的影响。
　　结合几何光线追迹方法,以标量衍射方法设计的BOE相位函数为初始结构,对聚焦BOE进行了优化设计,给出了设计结果和工艺参数,并分析了不同视场角下BOE的光学性能。结果表明该方法设计得到的聚焦BOE在±1°视场的应用条件下具有良好的成像质量。
　　针对设计的聚焦BOE,本文结合极坐标激光直写加工工艺,仿真分析了刻蚀台阶数、刻蚀深度误差和台阶宽度误差对元件输出光场的影响,为加工高性能BOE元件打下理论基础。
　　本文的研究工作对推导IOC接收光学系统向小型化和轻量化的发展具有重要意义。

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第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 卫星光通信接收光学系统的研究现状

1.3 BOE在卫星光通信接收系统中的应用现状

1.4 本文的主要结构及内容

第2章BOE设计理论及性能评价方法

2.1 光场传输标量衍射理论

2.2 BOE元件设计方法

2.3 信标光聚焦单元性能评价方法分析

2.4 本章小结

第3章聚焦BOE相位函数设计及其输出光场特性研究

3.1 聚焦BOE相位函数设计建模

3.2 聚焦BOE相位函数设计参数分析

3.3 聚焦BOE输出光场特性分析

3.4 光束入射角对聚焦BOE输出光场影响研究

3.5 本章小结

第4章聚焦BOE优化设计及其光学性能研究

4.1 多入射角聚焦BOE优化设计

4.2 聚焦BOE的优化设计结果

4.3 光束入射角对聚焦BOE光学性能影响研究

4.4 聚焦BOE系统参数对其光学性能影响研究

4.5 本章小结

第5章 工艺参数对聚焦BOE性能影响研究

5.1 聚焦BOE的工艺参数

5.2 聚焦BOE的制作工艺及加工误差来源

5.3 相位量化阶数对聚焦BOE输出光场影响研究

5.4 加工误差对聚焦BOE输出光场影响研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢