CN105629449A - 一种新型菲涅耳光学天线发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种新型菲涅耳光学天线发射系统。菲涅耳光学天线发射系统由一个振幅型菲涅耳波带片和卡塞格伦光学天线构成。本发明所采用的菲涅耳波带片由透光和不透光的波带相间组成，位于天线抛物面主镜的中心圆孔内，对入射平面波进行聚焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合，在次镜处产生的光斑中心为暗斑，可有效避免光线经天线次镜在反射至主镜的过程中存在较大的中心能量损失。光束先后经次镜和主镜反射后，产生准直空心光束在自由空间传输。本发明主要解决传统光学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传输效率和发射精度，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。

Description

一种新型菲涅耳光学天线发射系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种新型菲涅耳光学天线发射系统。

背景技术

光学天线系统的主要作用为激光束扩束和进一步压缩发散角。光学天线是光通信技术领域的关键性发射、接收子系统，高精度的准直技术与高传输效率是光学天线系统能够实现远距离传输、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(卡塞格伦型望远镜)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。

NASA飞行研究中心早在1974年就进行了光通信传输光学天线增益研究。2006年，日本东京国家通信技术研究所对高速光通信光学天线传输效率进行了研究。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：photonicbandgap)抛物状的天线结构可以极大提高天线的发射效率。2008年，EberhardKarlsUniversityTubingen应用物理研究中心，在APL刊物上发表了关于三维光学天线在近场显微镜中的应用研究成果。2010年，UniversityofSouthernCalifornia的LosAngeles提出了一种基于光子晶体带隙的新型结构光学天线。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。

波带片是一种重要的衍射光学器件，由LordRayleigh于1871年首次制作成功。1898年，Wood开展了波带片在可见光照射下的研究工作，揭开了波带片作为一类新型光学器件在光学领域的新篇章。1961年，Baez提出菲涅耳波带片可作为极紫外辐射到软X射线这一波段的成像元件，激起了人们对波带片的广泛重视。1972年，Rogers所在小组报道了菲涅耳波带片在伽马射线成像方面的研究成果。1980年，Kearney等人利用波带片对中子实现了聚焦和成像。1991年，Takuma实现了菲涅耳波带片对激发态He原子的聚焦。1999年，Doak的研究小组实现了菲涅耳波带片对基态He原子的聚焦。近年来，由于在软X射线显微成像技术方面的应用引人瞩目，波带片成为了一个研究热点。Maser,Schneider和Schmahl采用耦合波分析法对波带片的衍射场分布作了数学逼近，数值解表明应用改善效率的较高衍射级将提高其成像分辨率。

将菲涅耳波带片与光学天线相结合，利用菲涅耳波带片的聚焦特性，使其取代传统的聚焦透镜。利用其衍射特性产生暗中空光束，可有效避天线次镜中心部分反射存在的能量损失。

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，给出了一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构。该光学天线发射系统主要由菲涅耳波带片和卡塞格伦天线构成，可有效提高光通信发射天线的传输效率，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，对产生暗中空光束的菲涅耳波带片进行设计；另一方面，将菲涅耳波带片应用到卡塞格伦天线系统中，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。

本发明中的菲涅耳波带片设计是基于基尔霍夫衍射理论，圆形菲涅耳波带片由透光和不透过的波带相间组成，固定在天线抛物面主镜的中心圆孔内，对入射平面波进行聚焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合。基于平面屏幕衍射的基尔霍夫理论，分析菲涅耳波带片在平面光垂直入射情况下的会聚性能与离焦衍射光强分布，确定最佳的波带片参数，使天线次镜处的光斑中心为暗斑。

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，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为本发明一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构图。

图2为平面波照射圆形菲涅耳光波带片原理图。

图3为本发明一种实施例的1550nm菲涅耳波带片结构仿真图。

图4为本发明实施例的菲涅耳波带片离焦衍射光强计算原理图。

图5为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的子午面内光束传输仿真图。

图6为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的弧矢面内光束传输仿真图。

图7为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统中次镜附近的三维离焦光斑仿真图。

图8为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统中次镜附近的二维离焦光斑与能量分布仿真图。

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，为本发明一种菲涅耳光学天线发射系统结构框图，该系统由一个振幅型菲涅耳波带片和卡塞格伦光学天线构成。圆形菲涅耳波带片固定在天线主镜的中心圆孔内，准直后的平面光波入射到菲涅耳波带片后聚焦，主焦点与次镜左焦点重合，在次镜处产生暗中空光束，经光学天线传输后形成准直空心光束。

图2所示，平面波照射圆形菲涅耳光波带片原理图。波带片是由一组透光与不透光的同心圆环交替间隔组成的特殊光栅，相邻环带的对应两点到P₀点的光程差为λ/2，圆环半径满足：

$r_n=\sqrt{n\mathrm{\λ}f+n^2{\mathrm{\λ}}^2/4}(n=1,2,3,\mathrm{...},N)---\left(1\right)$

式中r_n为第n个圆环的半径，λ为入射平面波的波长，f为波带片的主焦距。光波越长，其焦距越短。

图3所示，本发明一种实施例的菲涅耳波带片结构仿真图。在透明玻璃平板上制作明暗交替的波带片，其中奇数半波带涂黑，偶数半波带透光(中心为不透光半波带)。入射平面波的波长为1550nm，菲涅耳波带片的半径为10mm，主焦距为100mm，透光半波带和不透光半波带合计64条。

图4所示，为本发明实施例的菲涅耳波带片离焦衍射光强计算原理图。图中Σ₁为波带片透光的圆环面积，r₀₁为波带片上某点S到z₀位置处的观察屏Σ₂上观察点P之间的距离。P点离Σ₁足够远，满足r₀₁＞＞λ，于是有k＜＜1/r₀₁，其中k＝2π/λ为波数。假设正入射平面光波振幅为A，根据基尔霍夫积分公式推导出平行光正入射情况下观察屏上P点处的光波振幅为：

$U(r_0,{\mathrm{\θ}}_0,z_0)=-\frac{ikA}{4\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\Σ}}_1}{\∫}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{\exp \left({\mathrm{ikr}}_{01}\right)}{r_{01}}(1+cos\mathrm{\α})rdrd\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

当z₀＞＞r，z₀＞＞r₀时，(2)式可简化为：

$\begin{array}{c}U(r_0,{\mathrm{\θ}}_0,z_0)=-\frac{ikA\exp \{ik\[z_0+r_0^2/\left(2z_0\right)\]\}}{2{\mathrm{\πz}}_0}\×\\ \underset{{\Σ}_1}{\∫}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\exp \{\frac{ik}{2z_0}\[r^2-2{\mathrm{rr}}_0\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)\]\}rdrd\mathrm{\θ}\end{array}---\left(3\right)$

通过(3)式可计算出距离波带片z₀的观察屏上各点的强度，从而绘制出离焦光斑。

图5和图6所示，为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的光束传输仿真图。天线的旋转抛物面主镜口径为150mm，旋转双曲面次镜的口径为30mm，入射光波长为1550nm。圆形菲涅耳波带片位于天线抛物面主镜的中心圆孔内，对入射平面波进行聚焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合，旋转双曲面次镜的右焦点与旋转抛物面主镜的焦点重合，光束经过光学天线发射系统传输后为高精度准直空心激光束。

图7和图8所示，为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统中次镜附近的离焦光斑与能量分布仿真图。根据基尔霍夫衍射理论，利用MATLAB程序计算出天线次镜顶点处观察平面内各点的强度，绘制出离焦光斑。天线次镜处产生的离焦光斑为空心光斑，中心能量为零，该空心光束可有效避免光线经天线次镜反射至主镜的过程中的中心能量损失，从而提高天线的发射效率。

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和矢量光线的数学模型，利用MATLAB程序对光线在天线中的空间传输进行三维追迹。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，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。再求出反射点处的次镜法线方向余弦，根据矢量反射定理，求出次镜反射光线的方向余弦，绘制反射光线；3)以次镜反射光线作为主镜的入射光线，求出主镜法线方向余弦，根据矢量反射定理，求得主镜的反射光线的方向余弦，并绘制出主镜的反射光线；4)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；5)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。

Claims (6)

1.一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于利用菲涅耳波带片对入射平面波进行聚焦，产生暗中空光束，经光学天线传输后变换为准直空心光束，提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。主要分为圆形菲涅耳波带片和卡塞格伦发射天线两部分；其中圆形菲涅耳波带片固定在卡塞格伦天线主镜的中心圆孔内，准直后的平面光波入射到菲涅耳波带片后聚焦；菲涅耳波带片的主焦点与卡塞格伦天线次镜左焦点重合，在次镜处产生暗中空光束，经光学天线传输后形成准直空心光束。系统结构简单，加工难度较低，减小了系统装配的复杂度，且准直精度高，可作为光通信系统中的发射天线系统，有效避免传统光学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所述的一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于所述圆形菲涅耳波带片为在透明玻璃平板上制作的特殊光栅，由透光与不透光的同心圆环交替间隔组成，其中奇数半波带不透光，偶数半波带透光(中心为不透光半波带)。入射平面波的波长为1550nm，菲涅耳波带片的半径为10mm，主焦距为100mm，透光半波带和不透光半波带数目合计64条。

3.根据权利要求1所述的一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于所述的圆形菲涅耳波带片，对入射平面波进行聚焦。基于平面屏幕衍射的基尔霍夫理论，分析菲涅耳波带片在平面光垂直入射情况下的会聚性能与离焦衍射光强分布。

4.根据权利要求1所述的一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于所述的卡塞格伦天线的旋转抛物面主镜口径为150mm，旋转双曲面次镜的口径为30mm。天线主镜中心开孔位置与权利要求2所述的圆形菲涅耳波带片平面相粘合，确定最佳的天线结构参数，计算菲涅耳波带片在平面光垂直入射情况下的离焦衍射光强分布，使天线次镜处的光斑中心为暗斑，中心能量为零，该空心光束在天线中传输，可有效避免光线经天线次镜反射至主镜的过程中的中心能量损失，从而提高天线的发射效率。

5.根据权利要求1所述的一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于所述的卡塞格伦天线的旋转双曲面次镜左焦点与权利要求2所述的圆形菲涅耳波带片的主焦点重合，旋转双曲面次镜的右焦点与卡塞格伦天线的旋转抛物面主镜的焦点重合，光束经过光学天线发射系统传输后为高精度准直空心激光束，该准直空心光束的发散角理论上可突破衍射极限。

6.根据权利要求1所述的一种新型菲涅耳光学天线发射系统，其特征在于所述卡塞格伦天线系统的设计是基于矢量反射定理，建立三维反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学天线系统结构进行最优设计，对光线在光学天线系统中的空间传输进行仿真分析。