CN104717019A - 一种可加载径向辐射光源的高精度准直光学天线发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种可加载径向辐射激光源的高精度准直光学天线发射系统。该天线发射系统的设计方法是基于三维矢量反射定理，由一个离轴椭圆旋转曲面次镜和一个共焦抛物面主镜构成。该天线发射系统所采用的径向辐射激光源是径向辐射的线形激光源或产生径向辐射的环形激光源，既显著提高了光源的辐射功率，又降低了加工制作的难度。本发明主要解决传统光学发射天线中次镜中心能量损耗的关键技术问题，有助于提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率，无需对半导体激光器输出光束进行预准直即可达到激光束的接近衍射极限的高精度准直传输，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。

Description

一种可加载径向辐射光源的高精度准直光学天线发射系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种可加载径向辐射激光源的高精度准直光学天线发射系统。

背景技术

光学天线系统主要实现对激光束进行扩束并进一步压缩发散角。光学天线是光通信技术领域的关键性发射、接收子系统，高精度的准直精度与高传输效率是光学天线系统能实现远距离传输，高跟踪精度的重要保证。

空间光通信通常涉及多波长传输，广泛使用无色差的反射式系统(卡塞格伦型)作为发射和接收天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中心(光)轴上，天线次镜中心部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中心能量损失，因此对远距离空间光通信系统的能量传输造成极大的影响。

早在1974年，NASA飞行研究中心就进行了光通信传输光学天线增益研究。日本东京国家通信技术研究所于2006年进行了高速光通信光学天线传输效率研究。近年来法国开展了新一代光子雷达天线研究，法国国防部研究的新一代光子带隙(PBG：photonic band gap)抛物状的天线结构可以极大提高天线的发射效率。2008年度Eberhard Karls University Tübingen应用物理研究中心，在APL刊物上发表关于三维光学天线在近场显微镜中的应用研究结果。2010年度University of Southern California的Los Angeles发表了研究论文，提出了一种新型结构的光学天线，其光传输是基于光子晶体带隙。2013年，美国科学家对高指向增益的混合结构光学天线进行了研究。但传统光学天线通常使用半导体激光器作为光源，半导体激光泵浦源的发射光束在快轴方向发散角一般在0°～30°左右，慢轴方向发散角一般在0°～10°左右。国内外所涉及到的光学天线及半导体激光器预准直方法，均采用轴向激光传输方式，难以改善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传输效率。对于高功率激光发射系统，天线次镜中心部分对入射的高能量激光束的反射将会对激光器造成损伤，因此也一定程度限制了高能激光武器的发展。

发明内容

本发明针对现有光学天线存在的不足，解决天线次镜中心能量损耗的关键技术问题，给出了一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统。由于产生轴对称径向辐射的点源激光源加工制作非常困难，且辐射功率较小，本发明所采用的径向辐射激光源主要是径向辐射的线形激光源或产生径向辐射的环形激光源，既显著提高了光源的辐射功率，又降低了加工制作的难度。该光学天线发射系统主要由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成，可有效提高光通信发射天线的传输效率，无需对半导体激光器输出光束进行预准直即可达到激光束的接近衍射极限的高精度准直传输，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。

本发明采用的技术方案可分如下两方面概括：一方面，对产生径向辐射的环形激光源或线形激光源进行发散角调制；另一方面，径向辐射光源产生的激光束经由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成光学天线发射系统传输后，形成接近衍射极限的高精度准直激光束，有效提高光通信发射天线系统的发射精度和传输效率。

本发明中的径向辐射线形激光源可以为一种能实现径向辐射的Bragg光纤激光器，该光纤激光器由半导体激光器作为泵浦源，基于回音壁效应产生稳定的径向方位偏振相干激光辐射场[Nature Photonics,2012,6:229-233]。该径向辐射线形激光源应用于光通信发射天线中将大幅度提高天线系统的传输效率。

本发明中的环形激光源可以为一种由大功率线源LED所构成的环形阵列。大功率线源LED的出射光束横截面的光强为矩形线状分布。选取慢轴方向发散角极小，快轴方向发散角较大的大功率线源LED构成环形阵列，产生沿环形阵列半径方向上的径向激光辐射场。

本发明中的高精度准直光学天线发射系统由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成。次镜椭圆的左焦点均位于光学天线系统的主轴上，右焦点的离轴距离由径向辐射光源的有源区域离主轴的距离决定，绕主轴旋转360度形成旋转曲面。抛物面主镜的焦点与次镜椭圆的左焦点重合。

本发明中的光学天线发射系统的设计是基于矢量反射定理，建立三维天线反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在天线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)出射三维光束空间发散角；2)点列图，即接收平面的光斑分布；3)能量均匀度，即接收平面的三维能量分布曲面；4)像质评估曲线，即球差、像散、场曲等像差曲线，包括由于天线主次镜轴向离焦与轴外离焦所产生的彗差曲线等。利用遗传算法对天线结构进行优化设计，得到最佳的光束准直效果和空心比。

附图说明

图1为传统光学天线次镜中心反射造成能量损失原理图。

图2为本发明一种实施例的大功率线源LED环形阵列侧视原理图。

图3为本发明一种实施例的大功率线源LED环形阵列俯视原理图。

图4为本发明一种实施例的可加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的结构示意图。

图5为本发明一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的光线追迹仿真图。

图6为本发明一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的出射光斑及发散角仿真图。

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，空间光通信广泛使用的卡塞格伦型光学发射天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中心(光)轴上，天线次镜中心部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中心能量损失，因此对远距离空间光通信系统的能量传输造成极大的影响。

图2和图3所示，为本发明一种由大功率线源LED环形阵列构成的环形激光源结构。该光源选取慢轴方向发散角极小，快轴方向发散角较大的大功率线源LED构成环形阵列，所产生的径向激光辐射场方位角即为每个LED快轴方向的发散角。

图4所示，为本发明一种高精度准直光学天线发射系统，具体结构为：离轴椭圆旋转曲面次镜，椭圆的左焦点均位于光学天线的主轴上，右焦点的离轴距离由径向辐射光源的有源区域离主轴的距离(即线源LED快轴方向边缘光线的反向延长线交点离主轴的距离)所决定，离轴椭圆绕主轴旋转360度形成旋转曲面；若径向辐射光源的有源区域近似为一点，即该椭圆的左右焦点均位于光学天线的主轴上，天线次镜为旋转椭球面。天线主镜为旋转抛物面，其焦点与次镜椭圆的左焦点重合。

图5所示，为本发明一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的光线追迹仿真图。根据椭圆反射的等光程原理，径向辐射的发光面等效于位于次镜离轴旋转椭圆的右焦点上的子光源，经次镜反射后均经过椭圆的左焦点。由于主镜抛物面的焦点与椭圆的左焦点重合，经主镜反射后的激光将接近于平行光出射。

图6所示，本发明一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的出射光斑及发散角仿真图。经过光学天线系统后的光束为高精度准直空心激光束，光束三维发散角均为0rad，为高精度准直激光束。

本发明中采用的光学系统设计方法是基于矢量反射定理，建立三维天线反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在天线中的空间传输进行三维追迹，获得出射发散角与光束空间位置之间的关系，以及光束很截面能量分布。具体步骤为：1)建立各反射面的三维参数方程，根据实际需求确定天线主次镜天线的大小和显示区域。利用MATLAB程序绘制各曲面参数方程所对应的三维曲面；2)根据入射光线的方向余弦，绘制入射光线，并建立入射光线矢量方程，与次镜反射面的方程联合求解，获得次镜上各反射点的坐标，绘制三维入射光线。再求出反射点处的反射面法线方向余弦，基于实例反射定理，求出反射光线的方向余弦；再以改反射光线作为主镜的入射光线，求得主镜的反射光线的方向余弦，并绘制出反射光线；3)根据主镜的反射光线的方向余弦求得出射光线与主轴的夹角，绘制出空间发散角与光线位置之间的关系；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获得观察平面内的能量分布；5)根据各像差的定义绘制出观察平面内的光束像差曲线。利用遗传算法对天线结构进行优化设计，得到最佳的光束准直效果和空心比。

在上述实施例中，径向辐射光源的实现不是本发明的内容，故未给出详细阐述，具体可参考相关技术资料中的径向辐射的Bragg光纤激光器和大功率线源LED环形阵列光源来实现。

Claims (6)

1.一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于该系统采用径向辐射光源，次镜为离轴椭圆旋转曲面，主镜为抛物面；光源所发出的径向辐射激光经光学天线系统后准直为平行空心光束，解决传统光学天线在激光轴向传输过程中由于次镜中心部分反射造成的能量损失，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所述的一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于所述离轴椭圆旋转曲面次镜，椭圆的左焦点均位于光学天线系统的主轴上，右焦点偏离主轴的距离由径向辐射光源的发散角特性所决定，离轴椭圆绕主轴旋转360度形成旋转曲面，径向辐射光源的出射光束经次镜反射后必然经过椭圆旋转曲面的左焦点。

3.根据权利要求1所述的一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于所述抛物面主镜的焦点与离轴椭圆旋转曲面次镜的左焦点重合，经次镜反射的激光经主镜反射后为平行空心光束。

4.根据权利要求1所述的一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于所述径向辐射光源，可以为一种径向辐射的Bragg光纤激光器，该光纤激光器使用半导体激光器作为泵浦源，基于回音壁效应产生稳定的径向方位偏振相干激光辐射场。

5.根据权利要求1所述的一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于所述径向辐射光源，可以为一种LED环形阵列，该光源选取慢轴方向发散角极小，快轴方向发散角较大的大功率线源LED构成环形阵列。

6.根据权利要求1所述的一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于所述光学天线发射系统的设计方法是基于矢量反射定理，利用MATLAB程序对天线的主镜和次镜反射面进行三维建模，对光线在天线中的空间传输进行三维追迹，获得出射光束三维发散角分布、接收平面的光斑分布、能量分布，以及球差、畸变、场曲等像差曲线；并得到由于天线主次镜轴向离焦与轴外离焦所产生的球差、彗差、像散等曲线。