CN102607717A - 激光同源共束相干探测系统和方法 - Google Patents

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周江
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Abstract

本发明公开一种激光同源共束相干探测系统和方法，激光器产生连续的激光光束在光斑均匀化器件中进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性；均匀化后的激光光束和外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制后形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；参考光和信号光经过光学透镜的聚焦和光束准直器处理后，将两束光斑进行平行传输合路送到光电探测器中完成光电信号变换。本发明能够简化系统光路结构、提高激光利用率、以及增强光学匹配性能。

Description

激光同源共束相干探测系统和方法
技术领域
本发明涉及相干光通信领域，具体涉及一种激光同源共束相干探测系统和方法。
背景技术
激光的问世与声光技术的发展，使得相干光通信得到了快速的发展。相干光通信因其具有灵敏度高、中继距离长、选择性好、多种调制方式等优点，广泛应用于跨洋通信、沙漠通信、星间通信等民用和军事领域。在目前的相干光探测系统中，一般采用异源(参见图1)或同源分光(参见图2)方式，随后通过光学透镜组合将两路激光整合，并使两束激光重合后进行同向传输，最后再由光电检测器完成光电信号变换得到电信号。图1所示异源相干探测方式要求接收端(本地端)光源和发射端(远端)光源在频率和相位上要严格匹配；因此对激光器的频率稳定性要求极高，因而限制了相干光通信与探测应用；图2所示同源分光相干探测方式虽然是一个激光器，但采用分光，使参与光调制的功率明显降低，且光路结构复杂，共轴调整难度增加，多重光学界面反射，将导致光功率损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够简化系统光路结构、提高激光利用率、以及增强光学匹配性能的激光同源共束相干探测系统和方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
本发明所设计的激光同源共束相干探测系统，包括激光器、光电探测器、光斑均匀化器件、声光调制器、光学透镜和光束准直器；激光器产生连续的激光光束在光斑均匀化器件中进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性；均匀化后的激光光束和外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制后形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；参考光和信号光经过光学透镜的聚焦和光束准直器处理后，将两束光斑进行平行传输合路送到光电探测器中完成光电信号变换。
上述系统中，所述激光器最好选用单频激光器。
上述系统中，所述光束准直器和光电探测器之间既可以通过空间传输方式进行连接，也可以通过光纤进行连接。但为了能够保证到达光电探测器的两路光信号满足相干光探测要求，减小偏振波动和背景光噪声影响，光束准直器和光电探测器之间最好通过保偏光纤进行连接。
本发明所设计的激光同源共束相干探测方法，包括如下步骤：
(1)通过激光器产生连续的激光光束；
(2)将产生的激光光束进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性，且保证布拉格衍射条件；
(3)均匀化后的激光光束与外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，并保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；
(4)将参考光和信号光进行聚焦处理后实现0级光斑和1级衍射光斑的重合；
(5)将参考光和信号光进行光束准直处理后实现参考光和信号光的平行合路传输；
(6)将光信号变换为电信号，以实现外部输入的射频电信号的电磁频谱跟踪测量。
上述步骤(1)中，其激光光束最好由单频激光器产生。
上述步骤(5)中，最好还进一步包括保持参考光和信号光的偏振态不变的保偏步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1.系统光路构成简单，性能稳定，功率损失小；
2.采用声光器件实现声光信号处理，增强系统对信号的选择作用；
3.利用声光衍射效应实现激光同源共束相干探测，提高接收灵敏度，有效抑制噪声，提高系统对信号的分辨能力。
附图说明
图1为异源相干探测系统框图；
图2为同源分光相干探测系统框图；
图3为发明一种激光同源共束相干探测系统框图。
具体实施方式
参见图3，本发明一种激光同源共束相干探测系统，主要由激光器、光斑均匀化器件、声光调制器、光学透镜、光束准直器和光电探测器组成。激光器经过光斑均匀化器件与声光调制器的其中一个输入端相连，外部输入的射频电信号与声光调制器的另一个输入端相连。声光调制器的输出端与光学透镜的入射面相对，光学透镜的出射面与光束准直器的输入端相对。光束准直器的输出端与光电探测器相连。
由于激光器线宽、功率稳定性对相干探测性能影响很大，窄线宽光源有较高的频率精度，对改善相干探测的信噪比和提高探测稳定性有利；因此在本发明优选实施例中，所述激光器选用波长为532nm、功率输出为50mW、线宽为30MHz的单频激光器。与之相应的是，选取中心波长为400MHz，带宽为200MHz，衍射角为43mrad的声光调制器。声光调制器主要完成信号的调制(幅度、频率、相位)。在选用的声光调制器中，若采用正常态布拉格衍射的声光调制器，则声光调制器输出的衍射光与输入的入射光的偏振态直接一致；若为反常态布拉格衍射的声光调制器，则声光调制器输出的衍射光与输入的入射光的偏振态不一致，此时需要通过一个偏振控制器来让入射光与衍射光的偏振态一致。所述光束准直器和光电探测器之间既可以通过空间传输方式进行连接，也可以通过光纤进行连接。但为了能够保证到达光电探测器的两路光信号满足相干光探测要求，减小偏振波动和背景光噪声影响，光束准直器和光电探测器之间最好通过保偏光纤进行连接。
激光器产生连续的激光光束在光斑均匀化器件中进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性，且保证最大的入射功率送入声光调制器中，声光器件在布拉格条件下工作。均匀化后的激光光束和外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，利用声光效应的选择作用，并保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制后形成0级光斑和1级衍射光斑，该0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光。参考光和信号光经过光学透镜的聚焦和光束准直器的处理后，将两束光斑进行平行传输合路送到光电探测器中完成光电信号变换，实现信号电磁频谱的跟踪测量。
采用上述激光同源共束相干探测系统所实现的激光同源共束相干探测方法，包括如下步骤：
(1)采用激光器产生连续的激光光束；在本发明优选实施例中，所述激光光束由单频激光器产生；
(2)光斑均匀化器件将激光光束产生步骤中产生的激光光束进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性，且保证最大的入射功率；
(3)均匀化后的激光光束与外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，保证声光调制器的入射光与衍射光偏振态一致，光调制后形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；
(4)光学透镜将参考光和信号光进行聚焦处理后实现0级光斑和1级衍射光斑的重合；
(5)光束准直器将参考光和信号光进行光束准直处理后实现参考光和信号光的平行合路通过空间传输或光纤传输至光电探测器；为了能够保证到达光电探测器的两路光信号满足相干光探测要求，减小偏振波动和背景光噪声影响，在本发明优选实施例中，参考光和信号光的平行合路传输至光电探测器时还进一步包括保持参考光和信号光的偏振态不变的保偏步骤；
(6)光电探测器完成光信号到电信号的变换，以实现外部输入的射频电信号电磁频谱的跟踪测量。
本发明采用声光外调制方式，在激光发射光路上实现信号调制，减小激光谐振腔的瞬时过程带来的许多不利因素，保证激光器的频率稳定性，有利于提高调制速率和传输距离增加，同时也利于同源共束传送的处理。此外，采用同源共束光相干方式，将信号光与参考光同传，即声光衍射后的0级光斑和1级衍射光斑两路光重合进行准直处理后传送，提高激光功率利用率，这有利于发射系统小型化，减小光能量损失。相较于在声光调制前先进行分光再完成调制的传统方案，其入射到声光调制器的光功率减小，衍射功率也随之降低；因此，本发明系统方案可使激光器功率以最大方式送到声光调制器。另外由于声光器件对不同作用信号的衍射效率是不同的，利用这一特点系统对不同作用信号有一定的选择作用。

Claims (6)

1.激光同源共束相干探测系统，包括激光器和光电探测器，其特征在于：还进一步包括光斑均匀化器件、声光调制器、光学透镜和光束准直器；激光器产生连续的激光光束在光斑均匀化器件中进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔和功率分布的均匀性；均匀化后的激光光束和外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，并保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制后形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；参考光和信号光经过光学透镜的聚焦和光束准直器的处理后，将两束光斑进行平行传输合路送到光电探测器中完成光电信号变换。
2.根据权利要求1所述的激光同源共束相干探测系统，其特征在于：所述激光器选用单频激光器。
3.根据权利要求1或2所述的激光同源共束相干探测系统，其特征在于：所述光束准直器和光电探测器之间通过空间传输方式进行连接或通过保偏光纤进行连接。
4.激光同源共束相干探测方法，其特征是包括如下步骤：
(1)通过激光器产生连续的激光光束；
(2)将产生的激光光束进行均匀化，让其光斑的大小和形状符合声光调制器的有效光孔以及功率分布的均匀性，且保证布拉格衍射条件；
(3)均匀化后的激光光束与外部输入的射频电信号在声光调制器中相互作用实现布拉格衍射，并保证声光调制器的入射光与衍射光的偏振态一致，光调制形成的0级光斑和1级衍射光斑分别构成相干光通信的参考光和信号光；
(4)将参考光和信号光进行聚焦处理后实现0级光斑和1级衍射光斑的重合；
(5)将参考光和信号光进行光束准直处理后实现参考光和信号光的平行合路传输；
(6)将光信号变换为电信号，以实现外部输入的射频电信号的电磁频谱跟踪测量。
5.根据权利要求4所述的激光同源共束相干探测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，其激光光束由单频激光器产生。
6.根据权利要求4或5所述的激光同源共束相干探测方法，其特征在于：所述步骤(5)中，还进一步包括保持参考光和信号光的偏振态不变的保偏步骤。
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