空间光通信中高精度激光束准直和光学天线设计与实现

摘要

空间光通信是目前极具发展潜力的通信方式，在国防预研和民用方面都有着广阔的应用前景。 本文主要针对空间光通信的两项关键技术：高精度的激光束准直和先进的光学天线技术进行了深入的研究。探索了光子晶体在光通信中的应用。建立了一套仿真软件对光通信系统中的光学平台进行优化设计，并进行了加工(实现)、实验测试和验证。 论文的主要结论如下： 1．利用高斯光束在空间的传输规律，设计了平凸透镜组所构成的点源激光束准直系统。通过实验测试其准直发散角为2.93mrad，该值不满足课题指标要求(<-0.5mrad)，需探索新的高精度准直方法。分析了二元光学准直方法，但限于加工昂贵，未实际加工。 2．研究了非球面(圆面、椭圆面、抛物面、双曲面)柱透镜组激光束准直系统，利用遗传算法和MATLAB最优化工具箱仿真得到860nm点源半导体激光束的最优椭圆柱透镜组准直发散角为115μrad，对于830nm波长的激光准直发散角为112μrad，该准直方法有效地提高了准直精度，满足课题指标要求。最后从理论上，提出了一种能实现更高精度的理想非球面准直方法。 3．利用矢量形式的折射定理，建立了一种对复杂光学系统(包括非球面、非轴对称的光学系统)的三维空间光线的精确追迹方法，得出了光线的矩阵传递公式。利用该方法对大功率线源半导体激光束柱透镜组准直系统进行了优化设计。实验测试结果表明：778nm的激光束准直发散角为1.93 mrad。对于917nm的激光束准直发散角为2.13mrad。满足课题对信标光指标要求(<-5mrad)。 4．对布拉格光纤径向准周期结构建立了仿真理论模型，研究了径向包层结构对光传输特性的影响。另外对准周期结构的容差进行了详细讨论。对一维光子晶体全反射镜、滤波器也进行了仿真设计。 5．分析了光学天线增益的影响因素，构建了发散角与光学天线结构的仿真理论模型，优化设计了卡塞格伦光学天线系统。研究了光通信系统最大通信距离的影响因数。对光学天线进行了加工，并利用波像差测试仪进行了测试，其波像差均方值为0.041λ，满足设计指标要求(≤λ/20)。 6．研究了光通信近场模拟远场的方法，并构建了判断光学天线系统光轴偏离的仿真理论模型。对光学天线传输效率进行了实验测试，结果为59.38％。对其小于理论设计值65％的原因进行了误差分析。对光通信系统中的一种新型三维高密信息存储单元技术进行了研究。 建立了仿真软件对光通信系统中光学平台进行优化设计，并进行了加工实现、对光学平台的聚焦光斑和视场角进行了实验测试。所有测试结果表明该光学平台能正常地进行光的发射与接收。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2选题依据及研究意义

1.2.1选题依据

1.2.2课题技术指标

1.2.3空间光通信技术优势及其研究意义

1.3光通信技术在国际、国内的发展动态

1.3.1星间光通信的研究发展动态

1.3.2空间光通信所面临的关键技术问题

1.4激光束准直技术

1.5光学天线的发展状况

1.5.1国外光学天线的发展状况

1.5.2国内光学天线的发展状况

1.5.3光学天线的先进技术及发展趋势

1.6本章小结

1.7本论文结构及各章内容安排

第二章空间光通信系统构成与关键技术功能

2.1概述

2.2空间光通信系统主要研究内容

2.3光通信系统关键技术

2.4光学天线

2.4.1透射式望远镜光学天线

2.4.2反射式望远镜光学天线

2.4.3光学天线类型选择

2.4.4自由空间的传输损耗

2.4.5光学天线的增益

2.4.6光学天线设计的基本要求

2.4.7光学天线的像质评价

2.4.8光学自动设计

2.4.9光学设计软件CODE-V

2.5 ATP子系统关键技术

2.5.1空间光通信链路的建立与ATP

2.5.2 ATP扫描方式

2.5.3扫描参数考虑

2.6通信子系统中的高速率、大容量信息存储技术

2.7本章小结

第三章激光束传输理论分析与准直设计

3.1半导体激光器的光束发散特性

3.1.1半导体激光束的发散特性

3.1.2半导体激光束准直(整形)

3.1.3光通信系统工作波长选择

3.2半导体激光束在空间的传输

3.2.1高斯光束的表述

3.2.2高斯光束的特性

3.2.3高斯光束的空间传播

3.2.4高斯光束的聚焦

3.3高斯光束的准直设计

3.3.1高斯光束的聚焦与准直

3.3.2激光束准直系统计算机仿真设计

3.3.3准直系统发散角测试

3.3.4高斯光束的衍射

3.4二元光学准直设计方法介绍

3.4.1二元光学概念

3.4.2二元光学元件的特点

3.4.3二元光学的设计

3.4.4二元菲涅尔衍射透镜

3.4.5菲涅尔透镜的衍射效率分析

3.4.6二元光学器件的制作方法

3.5本章小结

第四章点源半导体激光束高精度准直系统设计

4.1光学系统设计

4.2多元函数的极值理论

4.3圆截面柱透镜组准直系统优化设计与仿真

4.3.1圆截面柱透镜组快轴方向准直理论分析

4.3.2圆截面柱透镜组慢轴方向的准直分析

4.3.3圆截面柱透镜组准直发散角的优化

4.3.4圆截面柱透镜组准直性能的计算机仿真

4.3.5光学设计软件CODE-V仿真

4.4椭圆截面柱透镜组准直系统设计

4.4.1理论分析

4.4.2椭圆形状对准直发散角的影响

4.4.3子午面、弧矢面发散角优化仿真

4.4.4第一柱透镜子午面的光束传输仿真

4.5典型二次曲面准直系统比较

4.5.1抛物截面柱透镜组准直性能仿真

4.5.2双曲截面柱透镜组准直系统设计

4.5.3各种典型二次曲面准直效果比较

4.6准直系统发散角测试及误差分析

4.6.1椭圆型准直系统加工实物

4.6.2椭圆型准直系统实验测试

4.7理想非球面准直系统设计思想

4.7.1理想非球面准直系统设计

4.7.2理想非球面准直系统光束传输仿真

4.7.3三棱镜组整形原理与仿真

4.8本章小结

第五章大功率线源半导体激光束准直系统设计

5.1概述

5.2三维空间矢量形式折射、反射定理

5.3非轴对称、非球面准直系统光传输理论分析

5.3.1第一折射平面的光束传输分析(代数法)

5.3.2第二面折射(椭圆柱面)的光束传输分析

5.4建立光学系统空间光线追迹矩阵传递公式

5.5矩阵传递公式分析线源半导体光束传输特性

5.5.1准直系统的折射光线空间追迹

5.5.2多元函数的最优化理论分析

5.5.3计算机仿真

5.6实验测试

5.6.1准直系统实物

5.6.2未准直的线源半导体激光束发散特性

5.6.3准直后的发散角测试(778nm)

5.6.4准直后的发散角测试(917nm)

5.7本章小结

第六章光纤准直与光子晶体在光通信中的应用研究

6.1光纤准直器

6.2光子晶体光纤光束传输特性分析

6.2.1布拉格光纤结构

6.2.2布拉格光纤矩阵传输理论模型

6.2.3优化理论分析

6.2.4布拉格光纤包层数与包层介质材料的关系

6.2.5光纤包层结构对传输特性影响的仿真

6.2.6等周期结构的布拉格光纤仿真

6.2.7激光束的传输特性分析

6.2.8准周期结构的布拉格光纤仿真

6.3光子晶体高全反射与滤波特性分析

6.4光子晶体滤波器

6.5本章小结

第七章光学天线系统优化设计与计算机仿真

7.1概述

7.2光学天线设计的基本原则

7.2.1主要光学性质要求

7.2.2光学天线系统初始结构的确定

7.3光学天线的理论分析与计算机仿真

7.3.1光学天线理论分析

7.3.2光学天线最大增益的条件

7.3.3光学天线增益的计算机仿真

7.4卡塞格伦天线结构参数理论分析与仿真

7.4.1点光源情形下的最佳天线镜面组合

7.4.2平行光情形下的最佳天线镜面组合

7.4.3卡塞格伦天线结构对发散角影响的仿真理论模型

7.4.4卡塞格伦天线结构的计算机仿真

7.5光通信系统最大通信距离的影响因素分析

7.5.1发射功率对最大通信距离的影响

7.5.2接收光学天线孔径对通信距离的影响

7.5.3接收灵敏度对最大通信距离的影响

7.6光学天线类型的确定与技术指标要求

7.7卡塞格伦天线光线追迹计算机仿真(CODE-V设计)

7.8卡塞格伦天线实物与实验测试

7.9本章小结

第八章光通信系统光学平台设计与实验测试

8.1光通信中光学平台单元技术设计

8.1.1准直系统(含整形)

8.1.2场镜的设计

8.1.3分光镜与隔离器

8.1.4滤波片的设计

8.1.5衰减片设计

8.2光学平台系统设计

8.2.1激光发射、接收系统原理设计

8.2.2光学平台系统设计

8.2.3光通信中光学平台装配结构设计

8.2.4光学平台系统加工实物

8.3三维高密信息存储技术

8.4光通信系统发射与接收原理分析

8.5光学天线系统光轴偏离的理论建模与仿真

8.6光学天线系统耦合效率测试与误差分析

8.7光通信系统光学平台性能测试

8.7.1信标光粗、精跟踪光斑(弥散斑)测试

8.7.2视场角测试

8.8本章小结

第九章全文总结

9.1主要工作及结论

9.2研究中的创新点

9.3工作展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果