CN104536150A - 一种产生高精度准直空心激光束的光学系统 - Google Patents

一种产生高精度准直空心激光束的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器的准直与整形光学系统，产生高精度准直空心激光束。该光学系统主要分为两部分：由旋转双曲面平凸透镜、三棱镜(1)和三棱镜(2)构成的高精度准直与整形光学系统(1)，和一对轴棱锥构成的整形光学系统(2)。高精度准直与整形光学系统(1)将半导体激光器出射的非对称发散角特性的高斯束准直并整形为与主光轴同轴的圆形截面准直高斯光束，理论上可突破衍射极限；整形光学系统(2)将光束进一步整形为准直空心光束。本发明的光学系统结构简单，加工难度和系统装配的复杂度较低，且准直精度高，用作光通信系统中的卡塞格伦发射天线的预准直系统，有效避免天线次镜中心对高斯光束的部分反射所造成的能量损失，提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。

Description

一种产生高精度准直空心激光束的光学系统
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器出射光束的准直与整形光学系统，产生高精度准直空心激光束。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对通信容量的需求越来越高。光通信具有微小的光束发散角和高的方向性(因而具有较高的军事保密性)、速率高、传输容量大(比微波通信高3～5个数量级)、重量轻等优点，已逐渐成为国际化的研究热点。光学天线作为光通信技术领域的关键性发射、接收部件存在高精度准直和次镜中心能量损耗两个关键技术问题。因此高精度预准直与整形技术是确保实现远距离空间激光通信的关键技术，也是提高捕获、对准与跟踪(APT)精度的重要保证。
半导体激光器是光通信系统普遍使用的激光源，其有源区类似于一个矩形平面介质波导，在传播时容易发散，其出射光束横截面具有椭圆形状。半导体激光器在垂直于结平面(即快轴)的典型发散角(半角)一般在0°～30°范围内变化，平行于结平面(慢轴)方向上的发散角在0°～10°范围内变化。发散角越小，方向性越好。为了使半导体激光器输出的高斯光束能够高质量、高效率地进入光学天线传输，需要对半导体激光器的输出光束进行整形，压缩光束发散角以改善远场对称性和光斑形状。若输出光束为高精度准直的空心激光束，既可提高光通信系统中发射天线的发射精度，又可有效避免天线次镜中心反射所造成的能量损失。因此对半导体激光器出射光束进行高精度准直与整形对于远距离激光通信系统具有重要的意义。
2000年牛津大学在“Nature”杂志上报到了用三维全息法制作可见光波段的光子晶体，其自准直特性可以突破光的衍射极限。2012年，中科院半导体所郑婉华研究组在传统半导体激光器谐振腔结构中引入光子晶体，调控激光振荡模式，从芯片层次改善激光的输出光束质量，首次在国际上研制出905nm波段的高光束质量光子晶体激光器，激光输出远场呈近圆斑分布，快轴发散角6.5°，慢轴发散角7.1°。2013年，济南大学的师生在“Optics Letter”上发表了在光纤端面制作双轴双曲面微透镜将半导体激光器的快、慢轴发散角分别压缩至6.9和32.3mrad，耦合至光纤中，耦合效率提高至80％。上述半导体激光器预准直方法所采用的光学系统，任不能从根本上改变半导体激光器非对称发散角特性，且难以改善光通信天线次镜中心部分反射造成的能量损耗，从而一定程度限制了光学天线的发射精度和传输效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直空心光束的新方法，将半导体激光器出射的非对称发散角激光束准直整形为圆形截面的空心激光束，实现半导体激光束到光学天线的高效耦合，有效避免天线次镜中心反射造成的能量损失，而准直发散角接近衍射极限的高功率激光传输，有效确保远距离空间光通信的实现。
本发明采用的技术方案可分如下两方面概括：一方面，高精度准直与整形光学系统(1)对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的准直与整形；另一方面，整形光学系统(2)将光束进一步整形为空心高斯光束。该系统应用于光通信系统中的卡塞格伦天线，可有效避免天线次镜中心反射所造成的能量损失，从而提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。
本发明中的高精度准直与整形光学系统(1)，主要由一个旋转双曲面平凸透镜、三棱镜(1)和三棱镜(2)构成；旋转双曲面透镜将半导体激光器出射的非对称发散角特性的高斯束准直为椭圆截面的高精度准直光束，三棱镜(1)和三棱镜(2)将准直后的椭圆截面准直光束整形为与光学系统主光轴同轴的圆形截面准直光束。
本发明中的整形光学系统(2)，由一对轴棱锥构成，轴棱锥底面重合并与光学系统的主光轴同轴，入射的圆形截面准直光束经过整形光学系统(2)后整形为圆环形截面的空心光束，由于两个轴棱锥结构相同，出射的空心光束仍为高精度准直光束。
本发明中采用的光学系统设计方法是基于矢量折射定理，建立各三维折射面与三维矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学系统结构进行最优设计，对光线在光学系统中的空间传输进行三维追迹，获得像质评价参数，具体包括：1)出射光束三维空间发散角；2)点列图，即接收平面的光斑分布；3)能量均匀度，即接收平面内的三维能量分布；4)像质评估曲线，即球差、像散、场曲等像差曲线，包括由于各光学元件偏轴所产生的彗差曲线等。
附图说明
图1为半导体激光器出射光束非对称发散角特性示意图。
图2为本发明一种产生高精度准直空心激光束的光学系统的结构框图。
图3为本发明一种实施例的高精度准直与整形光学系统(1)的结构示意图。
图4为本发明一种实施例的整形光学系统(2)的结构示意图。
图5为本发明一种实施例的产生高精度准直空心激光束的光学系统的横截面封装示意图。
图6为本发明一种实施例的半导体激光器出射面上、高精度准直与整形光学系统(1)出射面上和整形光学系统(2)接收平面上的光斑与发散角仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。
图1所示，半导体激光器的出射光束横截面具有椭圆形状，在快轴方向的典型发散角(半角)一般在0°～30°范围内，慢轴方向上的发散角在0°～10°范围内。本发明一种产生高精度准直空心激光束的光学系统对半导体激光器的输出光束进行准直与整形，既可提高光通信系统中发射天线的发射精度，又可有效避免天线次镜中心反射所造成的能量损失。
图2所示，为本发明一种产生高精度准直空心激光束的光学系统的结构框图。该系统结构主要包含：高精度准直与整形光学系统(1)和整形光学系统(2)。半导体激光器的出射光束I为椭圆截面的非对称发散角高斯光束，经过高精度准直与整形光学系统(1)后的光束II为圆形截面的高精度准直激光束，经整形光学系统(2)后的光束III为圆环形截面的高精度准直空心激光束，再经后继卡塞格伦天线进行高精度发射与高效率传输。
图3所示，为本发明一种实施例的高精度准直与整形光学系统(1)的结构示意图，该系统对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的准直与整形，主要由旋转双曲面平凸透镜、三棱镜(1)和三棱镜(2)构成。
旋转双曲面平凸透镜，位于其左方焦点处的点光源所发出的光经过该系统后，与光轴之间的发散角接近于零度，为高精度准直的平行光束。将半导体激光器出射面放置在旋转双曲平凸透镜的左焦点处，经过该透镜后的光束被准直为平行光束。即入射光束为椭圆截面的非对称发散高斯光束，经过旋转双曲面透镜后的光束为椭圆截面的高精度准直高斯光束。
三棱镜(1)的前端面可与旋转双曲面平凸透镜的平面相粘合，形成旋转双曲面平凸透镜与三棱镜(1)一体的光学透镜，使旋转双曲面准直后的椭圆截面高斯光束经三棱镜(1)的后端面折射后形成离轴光束。该离轴光束垂直于三棱镜(2)的前端面入射到三棱镜(2)中，在其上平面发生全反射，再经三棱镜(2)的后端面折射后整形为圆形截面的平行光束，且该光束的中心光线与光学系统的主光轴同轴，该准直光束理论上可突破光的衍射极限。
图4所示，为本发明一种实施例的整形光学系统(2)的结构示意图，该系统由一对轴棱锥构成，轴棱锥底面重合并与光学系统的主光轴同轴，将入射的圆形截面准直激光束整形为圆环形截面的空心激光束。由于两个轴棱锥结构相同，并且与主光轴同轴，其出射的空心激光束的准直精度不发生变化。
图5所示，发明一种实施例的产生高精度准直空心激光束的光学系统的横截面封装示意图。由于高精度准直与整形光学系统(1)中的旋转双曲面透镜和整形光学系统(2)中的轴棱锥横截面为圆形，而高精度准直与整形光学系统(1)中的三棱镜(2)横截面为矩形，给整个光学系统的封装增加难度。因此将三棱镜(2)的矩形横截面的四个角截去长度s毫米的部分，并磨制成与旋转双曲面和轴棱锥的圆形截面直径R相同的弧度，所有光学元件便可封装到同一个套筒内，减小系统装配的复杂度。
图6所示，为本发明实施例中的一种半导体激光器出射面上、高精度准直与整形光学系统(1)出射面上和整形光学系统(2)接收平面上的光斑与发散角仿真图。半导体激光器出射光束I为椭圆截面的高斯光束，在快轴方向的最大发散角为30°，在慢轴方向上的最大发散角为10°。经过高精度准直与整形光学系统(1)后的光束II为圆形截面的高精度准直激光束，出射面内的光束三维发散角均为0rad，为高精度准直激光束。经整形光学系统(2)后的光束III为圆环形截面的空心激光束，接收面内的光束三维发散角均为0rad，为高精度准直空心激光束。
本发明中采用的光学系统设计方法是基于矢量折射定理，建立光学系统各三维折射面与三维矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在光学系统中的空间传输进行三维追迹，获得各出射光线的空间发散角，以及光束横截面的能量分布。具体步骤为：1)建立各折射面的三维参数方程，根据实际需求确定各折射面的结构参数和显示区域。利用MATLAB程序绘制各曲面参数方程所对应的三维折射面；2)根据入射光线的方向余弦，绘制入射光线，并建立入射光线的矢量方程，与各折射面的方程联立求解，获得该折射面上各折射点的坐标，求出各折射点处的折射面法线方向余弦，利用矢量折射定理求出各折射光线的方向余弦，绘制出折射光线；3)根据最后一个折射面的折射光线的方向余弦求得出射光线与主轴的夹角，绘制出空间发散角三维分布曲线；4)利用出射光线与观察平面交点的坐标绘制出光斑点列图，根据高斯光束能量计算公式绘制观察平面内的能量分布三维曲面；5)根据各像差的定义绘制出观察平面内的光束像差曲线。

Claims (5)

1.一种产生高精度准直空心激光束的光学系统，其特征在于适用于半导体激光器出射的非对称发散角特性高斯光束的准直与整形，主要分为高精度准直与整形光学系统(1)和整形光学系统(2)两部分；其中高精度准直与整形光学系统(1)主要由旋转双曲面平凸透镜、三棱镜(1)和三棱镜(2)构成；旋转双曲面透镜将半导体激光器出射的非对称发散角特性的高斯束准直为椭圆截面的平行光束，三棱镜(1)和三棱镜(2)将准直后的椭圆截面光束整形为与光学系统主光轴同轴的圆形截面准直高斯光束；整形光学系统(2)由一对轴棱锥构成，将准直光束进一步整形为准直空心光束；系统结构简单，加工难度和系统装配的复杂度较低，且准直精度高，可作为光通信系统中的卡塞格伦天线的预准直系统，有效避免天线次镜中心对高斯光束的部分反射所造成的能量损失，提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。
2.根据权利要求1所述的一种产生高精度准直空心激光束的光学系统，其特征在于所述高精度准直与整形光学系统(1)中，旋转双曲面平凸透镜的左焦点与半导体激光器出射面重合，半导体激光器出射的椭圆截面发散高斯光束经过旋转双曲面平凸透镜后被准直为椭圆截面的高精度准直高斯光束。
3.根据权利要求1所述的一种产生高精度准直空心激光束的光学系统，其特征在于所述高精度准直与整形光学系统(1)中，三棱镜(1)的前端面与权利要求2所述的旋转双曲面平凸透镜的平面相粘合，经旋转双曲面准直后的椭圆截面平行光束经三棱镜(1)的后端面折射后形成离轴光束，再经过三棱镜(2)后被整形为与主光轴同轴的圆形截面的平行光束，该平行光束的发散角理论上可突破光的衍射极限。
4.根据权利要求1所述的一种产生高精度准直空心激光束的光学系统，其特征在于所述整形光学系统(2)由一对轴棱锥构成，入射的圆形截面平行光束经过该轴棱锥系统后被整形为圆环截面的准直空心光束。
5.根据权利要求1所述的一种产生高精度准直空心激光束的光学系统，其特征在于所述高精度准直与整形光学系统(1)和整形光学系统(2)的设计是基于矢量反射定理，建立三维折射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学系统结构进行最优设计，对光线在光学系统中的空间传输进行三维追迹，获得各像质评价曲线。
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