CN111650755A - 一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统，包括激光光源以及依次位于激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，激光光源位于非球面透镜的焦点处；激光光源用于发射激光；非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，以将激光的发散角压缩至第一预设范围内；扩束准直透镜组包括依次位于激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，扩束准直透镜组用于对激光进行扩束准直，从而使得水下激光光源系统出射的激光的发散角较小，能够保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大。

Description

一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，更具体地说，涉及一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统。
背景技术
水下环境含有丰富的自然资源，但是，目前95％的水下环境未被开发利用。如图1所示，水下无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)10和水下传感器网络(Underwater Sensor Network，UWSN)20是水下环境开发的关键器件，但是，这些器件之间需要一种远距离、高带宽的无线通信方式进行数据传输。
现有的无线通信方式中，与电磁波通信和声波通信相比，光通信由于在水下具有较大的带宽的较小的延迟，因此，更适合应用于水下环境开发。而激光二极管由于具有发散角小、传输距离较远等优点，因此，更适合作为水下无线光通信系统的光源。
但是，由于激光在水中传输时会伴随着光的衰减和散射，光的衰减会导致传输距离变短，光的散射会导致光斑变大，进而导致激光的功率密度下降，因此，为了保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大，需要保证激光具有尽可能小的发散角。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统，以通过发散角足够小的激光实现水下的无线光通信。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水下激光光源系统，包括激光光源以及依次位于所述激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，所述激光光源位于所述非球面透镜的焦点处；
所述激光光源用于发射激光；
所述非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对所述激光进行准直，以将所述激光的发散角压缩至第一预设范围内；
所述扩束准直透镜组包括依次位于所述激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，所述扩束准直透镜组用于对所述激光进行扩束准直。
可选地，所述激光的波长范围为450nm～550nm。
可选地，所述非球面透镜的有效焦距范围为4.5mm～4.7mm，所述非球面透镜的直径为5.9mm～6.1mm，所述非球面透镜的中心厚度为3mm～3.2mm，所述非球面透镜的折射率为1.7～1.73。
可选地，所述非球面透镜的有效焦距为4.6mm，所述非球面透镜的直径为6mm，所述非球面透镜的中心厚度为3.1mm，所述非球面透镜的折射率为1.724。
可选地，所述平凹透镜和所述平凸透镜的焦距之比为10。
可选地，所述平凹透镜的有效焦距为16.5mm～17mm，所述平凹透镜的直径为9.5mm～10.5mm，所述平凹透镜的中心厚度为1mm～1.5mm，所述平凹透镜的折射率为1.5～1.53。
可选地，所述平凹透镜的有效焦距为16.87mm，所述平凹透镜的直径为10mm，所述平凹透镜的中心厚度为1.25mm，所述平凹透镜的折射率为1.516。
可选地，所述平凸透镜的有效焦距为83.15mm～90mm，所述平凸透镜的直径为24mm～26mm，所述平凸透镜的中心厚度为4mm～4.3mm，所述平凸透镜的折射率为1.5～1.53。
可选地，所述平凸透镜的有效焦距为83.65mm，所述平凸透镜的直径为25mm，所述平凸透镜的中心厚度为4.136mm，所述平凸透镜的折射率为1.516。
一种水下无线光通信系统，包括如上任一项所述的水下激光光源系统。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的水下激光光源系统和水下无线光通信系统，先通过非球面透镜沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，将激光的发散角压缩至第一预设范围内，再通过扩束准直透镜组即平凹透镜和平凸透镜对激光进行扩束准直，根据高斯光束变换定理，经过扩束准直透镜组后，激光光束的束腰半径扩大了，使得激光光束的发散角进一步减小了，从而使得水下激光光源系统出射的激光的发散角较小，能够保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大。
并且，本发明仅采用一个非球面透镜、一个平凹透镜和一个平凸透镜，即可将激光的发散角压缩到很小的范围内，也就是说，本发明的水下激光光源系统所需光学元件较少，具有结构紧凑、尺寸较小、装配精度较低等优点，非常适合于水下无线光通信系统的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的水下无人潜航器和水下传感器网络的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的水下激光光源系统的结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的非球面透镜2的俯视图；
图4为图3所示的非球面透镜2沿AA切割线的剖面结构示意图；
图5为本发明一个实施例提供的平凹透镜3的俯视图；
图6为图5所示的平凹透镜3沿HH切割线的剖面结构示意图；
图7为本发明一个实施例提供的平凸透镜4的俯视图；
图8为图7所示的平凸透镜4沿JJ切割线的剖面结构示意图；
图9为组装完成后的水下激光光源系统的结构参数示意图；
图10和图11为本发明实施例提供的水下激光光源系统的仿真曲线图。
具体实施方式
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种水下激光光源系统，如图2所示，包括激光光源1以及依次位于激光光源1出射光路上的非球面透镜2和扩束准直透镜组，激光光源1位于非球面透镜2的焦点处；
激光光源1用于发射激光；
非球面透镜2用于沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，以将激光的发散角压缩至第一预设范围内；
扩束准直透镜组包括依次位于激光光源1出射光路上的平凹透镜3和平凸透镜4，扩束准直透镜组用于对激光进行扩束准直。根据高斯光束变换定理，经过扩束准直透镜组后，激光光束的束腰半径扩大了，使得激光光束的发散角进一步减小了。
可选地，本发明实施例中的激光光源1为半导体激光器。由于半导体激光器所发出的激光具有发散角大、在垂直于结平面方向即慢轴方向和平行于结平面方向即快轴方向发散角不相等、远场光斑为椭圆形的特点，因此，在水下光通信中为了使发散角光能量集中、传输距离更远，需要对半导体激光器发出的激光进行准直。
本发明实施例中，先通过非球面透镜2沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，将激光的发散角压缩至第一预设范围内，再通过扩束准直透镜组中的平凹透镜3和平凸透镜4对激光进行扩束准直，进一步减小激光的发散角压，如第一预设范围为1mrad～1.5mrad，如经过扩束准直透镜组后激光的发散角小于1mrad，优选地，本发明实施例中的水下激光光源系统最终出射的激光的发散角为0.5mrad，从而使得水下激光光源系统出射的激光的发散角较小，能够保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大。
需要说明的是，本发明实施例中的平凹透镜3和平凸透镜4构成倒置的伽利略望远系统，从而可以进一步的减小水下激光光源系统的焦距，使得水下激光光源系统的整体尺寸较小。并且，本发明仅采用一个非球面透镜2、一个平凹透镜3和一个平凸透镜4，即可将激光的发散角压缩到很小的范围内，也就是说，本发明的水下激光光源系统所需光学元件较少，具有结构紧凑、尺寸较小、装配精度较低等优点，非常适合于水下无线光通信系统的应用。
由于波长为450nm～550nm的可见光在海水中的衰减最小，因此，本发明中激光光源1发射的激光的波长范围为450nm～550nm，优选地，激光光源1发射的激光的波长为520nm。
本发明实施例中，激光光源1采用波长为520nm的半导体激光器，半导体激光器的发光面为100um×1um，发出对应的椭圆高斯光束，即半导体激光器的发出的激光为椭圆高斯光束，其中，光束在慢轴方向的发散角为25°，光束在快轴方向的发散角为7.5°。高斯光束经非球面透镜2准直后的发散角为：
Figure BDA0002578865620000061
式中，l0是高斯光束束腰到非球面的距离，f0是非球面透镜2的焦距，λ是半导体激光器的波长，ω0是高斯光束束腰半径，当l0＝f0时，θ′0得到最小值，由公式(1)得到：
Figure BDA0002578865620000062
由公式(2)可知，θ′0永远不能取到最小值0，即激光光源1发射的激光经过一个非球面透镜2准直后仍会有一定的发散角，为了进一步降低这个发散角，使用了平凹透镜3和平凸透镜4组成的扩束准直透镜组来压缩发散角，扩束准直透镜组实质上是一对倒置的伽利略望远系统，得到公式(3)：
Figure BDA0002578865620000063
式中，l1是经非球面透镜2后高斯光束束腰和平凹透镜3的距离，θ″0是高斯光束经过整个扩束准直透镜组后的发散角即水下激光光源系统最终出射的激光的发散角，M是平凹透镜3和平凸透镜4的焦距比，即扩束准直透镜组的放大率，w1是经过非球面透镜2准直后高斯光束的束腰半径，其中
Figure BDA0002578865620000064
本发明实施例中，可以根据非球面标准公式设计非球面透镜2的非球面曲率半径、非球面厚度、非球面圆锥系数、非球面系数，如图3和图4所示，图3为本发明一个实施例提供的非球面透镜2的俯视图，图4为图3所示的非球面透镜2沿AA切割线的剖面结构示意图，如图4所示，非球面透镜2包括相对的一个表面S1和另一个表面S2，其参数如下表1所示。
Figure BDA0002578865620000065
表1
本发明实施例中，非球面透镜2的有效焦距范围为4.5mm～4.7mm，非球面透镜2的直径为5.9mm～6.1mm，非球面透镜2的中心厚度D为3mm～3.2mm，非球面透镜2的折射率为1.7～1.73。
优选地，非球面透镜2的有效焦距为4.6mm，非球面透镜2的直径为6mm，非球面透镜2的中心厚度D为3.1mm，非球面透镜2的折射率为1.724。
如图5和图6所示，图5为本发明一个实施例提供的平凹透镜3的俯视图，图6为图5所示的平凹透镜3沿HH切割线的剖面结构示意图，如图6所示，平凹透镜3包括相对的一个表面S3和另一个表面S4，其参数如下表2所示。
Figure BDA0002578865620000071
表2
本发明实施例中，平凹透镜3的有效焦距为16.5mm～17mm，平凹透镜3的直径为9.5mm～10.5mm，平凹透镜3的中心厚度D为1mm～1.5mm，平凹透镜3的折射率为1.5～1.53。
优选地，平凹透镜3的有效焦距为16.87mm，平凹透镜3的直径为10mm，平凹透镜3的中心厚度D为1.25mm，平凹透镜3的折射率为1.516。
如图7和图8所示，图7为本发明一个实施例提供的平凸透镜4的俯视图，图8为图7所示的平凸透镜4沿JJ切割线的剖面结构示意图，如图8所示，平凸透镜4包括相对的一个表面S5和另一个表面S6，其参数如下表3所示。
Figure BDA0002578865620000072
表3
本发明实施例中，平凸透镜4的有效焦距为83.15mm～9mm，平凸透镜4的直径为24mm～26mm，平凸透镜4的中心厚度D为4mm～4.3mm，平凸透镜4的折射率为1.5～1.53。
优选地，平凸透镜4的有效焦距为83.65mm，平凸透镜4的直径为25mm，平凸透镜4的中心厚度D为4.136mm，平凸透镜4的折射率为1.516。
进一步优选地，平凹透镜3和平凸透镜4的焦距之比为10。
需要说明的是，本发明实施例中都是针对520nm波长的激光进行的非球面透镜2、平凹透镜3和平凸透镜4进行的参数的设计，但是，本发明实施例中的上述参数的非球面透镜2、平凹透镜3和平凸透镜4同样适用于450nm～550nm的激光。
本发明实施例中，在能够满足扩束准直性能和加工工艺要求等情况下，进行水下激光光源系统的加工、组装与测试，如图9所示，组装完成后的水下激光光源系统的具体参数如下：总长L为86.1mm、大端口径D1为27mm、小端口径D2为8mm、系统光学后焦F1为2.34mm、机械后焦F2为0.39mm。
本发明实施例提供的水下激光光源系统的仿真结果如图10和图11所示，从图中可以看出，经过非球面透镜2、平凹透镜3和平凸透镜4准直后，光斑尺寸为80mm*5mm，与现有的光斑尺寸为200mm*200mm相比，本发明实施例提供的水下激光光源系统出射的激光光斑较小，激光的功率密度较大。
本发明实施例还提供了一种水下无线光通信系统，包括如上任一实施例提供的水下激光光源系统。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种水下激光光源系统，其特征在于，包括激光光源以及依次位于所述激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，所述激光光源位于所述非球面透镜的焦点处；
所述激光光源用于发射激光；
所述非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对所述激光进行准直，以将所述激光的发散角压缩至第一预设范围内；
所述扩束准直透镜组包括依次位于所述激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，所述扩束准直透镜组用于对所述激光进行扩束准直。
2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述激光的波长范围为450nm～550nm。
3.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述非球面透镜的有效焦距范围为4.5mm～4.7mm，所述非球面透镜的直径为5.9mm～6.1mm，所述非球面透镜的中心厚度为3mm～3.2mm，所述非球面透镜的折射率为1.7～1.73。
4.根据权利要求3所述的光源系统，其特征在于，所述非球面透镜的有效焦距为4.6mm，所述非球面透镜的直径为6mm，所述非球面透镜的中心厚度为3.1mm，所述非球面透镜的折射率为1.724。
5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述平凹透镜和所述平凸透镜的焦距之比为10。
6.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述平凹透镜的有效焦距为16.5mm～17mm，所述平凹透镜的直径为9.5mm～10.5mm，所述平凹透镜的中心厚度为1mm～1.5mm，所述平凹透镜的折射率为1.5～1.53。
7.根据权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述平凹透镜的有效焦距为16.87mm，所述平凹透镜的直径为10mm，所述平凹透镜的中心厚度为1.25mm，所述平凹透镜的折射率为1.516。
8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述平凸透镜的有效焦距为83.15mm～90mm，所述平凸透镜的直径为24mm～26mm，所述平凸透镜的中心厚度为4mm～4.3mm，所述平凸透镜的折射率为1.5～1.53。
9.根据权利要求8所述的光源系统，其特征在于，所述平凸透镜的有效焦距为83.65mm，所述平凸透镜的直径为25mm，所述平凸透镜的中心厚度为4.136mm，所述平凸透镜的折射率为1.516。
10.一种水下无线光通信系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的水下激光光源系统。
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