一種可加載徑向輻射光源的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領域，具體為一種可加載徑向輻射激光源的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學天線系統(tǒng)主要實現(xiàn)對激光束進行擴束并進一步壓縮發(fā)散角。光學天線是光通信技術(shù)領域的關(guān)鍵性發(fā)射、接收子系統(tǒng)，高精度的準直精度與高傳輸效率是光學天線系統(tǒng)能實現(xiàn)遠距離傳輸，高跟蹤精度的重要保證。
[0003]空間光通信通常涉及多波長傳輸，廣泛使用無色差的反射式系統(tǒng)(卡塞格倫型)作為發(fā)射和接收天線，由于激光高斯光束在軸向傳輸過程中的大量能量匯集在中心(光)軸上，天線次鏡中心部分反射至主鏡圓孔內(nèi)的能量將無法傳輸，存在著較大的中心能量損失，因此對遠距離空間光通信系統(tǒng)的能量傳輸造成極大的影響。
[0004]早在1974年，NASA飛行研宄中心就進行了光通信傳輸光學天線增益研宄。日本東京國家通信技術(shù)研宄所于2006年進行了高速光通信光學天線傳輸效率研宄。近年來法國開展了新一代光子雷達天線研宄，法國國防部研宄的新一代光子帶隙(PBG:photonicband gap)拋物狀的天線結(jié)構(gòu)可以極大提高天線的發(fā)射效率。2008年度Eberhard KarlsUniversity Tubingen應用物理研宄中心，在APL刊物上發(fā)表關(guān)于三維光學天線在近場顯微鏡中的應用研宄結(jié)果。2010年度University of Southern California的Los Angeles發(fā)表了研宄論文，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的光學天線，其光傳輸是基于光子晶體帶隙。2013年，美國科學家對高指向增益的混合結(jié)構(gòu)光學天線進行了研宄。但傳統(tǒng)光學天線通常使用半導體激光器作為光源，半導體激光泵浦源的發(fā)射光束在快軸方向發(fā)散角一般在0°?30°左右，慢軸方向發(fā)散角一般在0°?10°左右。國內(nèi)外所涉及到的光學天線及半導體激光器預準直方法，均采用軸向激光傳輸方式，難以改善次鏡中心部分反射造成的能量損耗，從而一定程度限制了光學天線的傳輸效率。對于高功率激光發(fā)射系統(tǒng)，天線次鏡中心部分對入射的高能量激光束的反射將會對激光器造成損傷，因此也一定程度限制了高能激光武器的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有光學天線存在的不足，解決天線次鏡中心能量損耗的關(guān)鍵技術(shù)問題，給出了一種可加載徑向輻射光源的新型光學天線發(fā)射系統(tǒng)。由于產(chǎn)生軸對稱徑向輻射的點源激光源加工制作非常困難，且輻射功率較小，本發(fā)明所采用的徑向輻射激光源主要是徑向輻射的線形激光源或產(chǎn)生徑向輻射的環(huán)形激光源，既顯著提高了光源的輻射功率，又降低了加工制作的難度。該光學天線發(fā)射系統(tǒng)主要由離軸橢圓旋轉(zhuǎn)曲面次鏡和共焦拋物面主鏡構(gòu)成，可有效提高光通信發(fā)射天線的傳輸效率，無需對半導體激光器輸出光束進行預準直即可達到激光束的接近衍射極限的高精度準直傳輸，且易于實現(xiàn)光通信發(fā)射系統(tǒng)的小型集成化。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案可分如下兩方面概括:一方面，對產(chǎn)生徑向輻射的環(huán)形激光源或線形激光源進行發(fā)散角調(diào)制；另一方面，徑向輻射光源產(chǎn)生的激光束經(jīng)由離軸橢圓旋轉(zhuǎn)曲面次鏡和共焦拋物面主鏡構(gòu)成光學天線發(fā)射系統(tǒng)傳輸后，形成接近衍射極限的高精度準直激光束，有效提高光通信發(fā)射天線系統(tǒng)的發(fā)射精度和傳輸效率。
[0007]本發(fā)明中的徑向福射線形激光源可以為一種能實現(xiàn)徑向福射的Bragg光纖激光器，該光纖激光器由半導體激光器作為泵浦源，基于回音壁效應產(chǎn)生穩(wěn)定的徑向方位偏振相干激光福射場[Nature Photonics, 2012，6:229-233]。該徑向福射線形激光源應用于光通信發(fā)射天線中將大幅度提高天線系統(tǒng)的傳輸效率。
[0008]本發(fā)明中的環(huán)形激光源可以為一種由大功率線源LED所構(gòu)成的環(huán)形陣列。大功率線源LED的出射光束橫截面的光強為矩形線狀分布。選取慢軸方向發(fā)散角極小，快軸方向發(fā)散角較大的大功率線源LED構(gòu)成環(huán)形陣列，產(chǎn)生沿環(huán)形陣列半徑方向上的徑向激光輻射場。
[0009]本發(fā)明中的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)由離軸橢圓旋轉(zhuǎn)曲面次鏡和共焦拋物面主鏡構(gòu)成。次鏡橢圓的左焦點均位于光學天線系統(tǒng)的主軸上，右焦點的離軸距離由徑向輻射光源的有源區(qū)域離主軸的距離決定，繞主軸旋轉(zhuǎn)360度形成旋轉(zhuǎn)曲面。拋物面主鏡的焦點與次鏡橢圓的左焦點重合。
[0010]本發(fā)明中的光學天線發(fā)射系統(tǒng)的設計是基于矢量反射定理，建立三維天線反射面與矢量光線模型，利用MATLAB程序?qū)饩€在天線中的空間傳輸進行三維追跡，獲得像質(zhì)評價參數(shù)，具體包括:1)出射三維光束空間發(fā)散角；2)點列圖，即接收平面的光斑分布；3)能量均勻度，即接收平面的三維能量分布曲面；4)像質(zhì)評估曲線，即球差、像散、場曲等像差曲線，包括由于天線主次鏡軸向離焦與軸外離焦所產(chǎn)生的彗差曲線等。利用遺傳算法對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，得到最佳的光束準直效果和空心比。
【附圖說明】
[0011]圖1為傳統(tǒng)光學天線次鏡中心反射造成能量損失原理圖。
[0012]圖2為本發(fā)明一種實施例的大功率線源LED環(huán)形陣列側(cè)視原理圖。
[0013]圖3為本發(fā)明一種實施例的大功率線源LED環(huán)形陣列俯視原理圖。
[0014]圖4為本發(fā)明一種實施例的可加載徑向輻射環(huán)形激光源的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5為本發(fā)明一種實施例的加載徑向輻射環(huán)形激光源的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)的光線追跡仿真圖。
[0016]圖6為本發(fā)明一種實施例的加載徑向輻射環(huán)形激光源的高精度準直光學天線發(fā)射系統(tǒng)的出射光斑及發(fā)散角仿真圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例進一步闡述和說明本發(fā)明。
[0018]圖1所示，空間光通信廣泛使用的卡塞格倫型光學發(fā)射天線，由于激光高斯光束在軸向傳輸過程中的大量能量匯集在中心(光)軸上，天線次鏡中心部分反射至主鏡圓孔內(nèi)的能量將無法傳輸，存在著較大的中心能量損失，因此對遠距