CN114326135B - 一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，基于有中心遮拦接收天线的空间激光通信接收端，由于中心遮拦的存在将导致接收端爱里斑零级光斑能量占比下降、次级环能量占比提高，从而导致光纤耦合效率下降。而对于发射链路，由激光器生成的光通常为光强高斯分布，发射天线的中心遮拦将很大程度降低天线发射效率。本发明减小甚至消除中心遮拦产生的空白光强暗圈，将望远镜接收的圆环形光束整形成圆形光束，进而提高接收端爱里斑零级光斑能量占比、降低次级环能量占比，实现提高光纤耦合效率的目标。此外，该双锥形结构棱镜还可用于将圆形或圆环形光束整形成更大的圆环形光束，提高基于有中心遮拦的发射天线的发射效率。
Description
技术领域
本发明属于空间光通信和光束整形领域，具体涉及一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，可用于光束整形，从而提高基于有中心遮拦的望远镜天线的接收和发射效率。
背景技术
目前世界上正在运行工作的大口径望远镜大都采用例如卡塞格林结构的这种具有中心遮拦的结构设计，在光通信领域，尤其是在相干光通信领域，光能量都需要耦合进入单模光纤中进行信号解调制，基于有中心遮拦接收天线的空间激光通信接收端，由于中心遮拦的存在将导致接收端爱里斑零级光斑能量占比下降、次级环能量占比提高，从而导致光纤耦合效率下降。而对于发射链路，由激光器生成的光通常为光强高斯分布，发射天线的中心遮拦将很大程度降低天线发射效率。本发明提出一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，减小甚至消除中心遮拦产生的空白光强暗圈，将望远镜接收的圆环形光束整形成圆形光束，进而提高接收端爱里斑零级光斑能量占比、降低次级环能量占比，实现提高光纤耦合效率的目标。此外，该双锥形结构棱镜还可用于将圆形或圆环形光束整形成更大的圆环形光束，提高基于有中心遮拦的发射天线的发射效率。因此，本发明提出的双锥形结构棱镜在空间光通信领域和光束整形领域都具有很大的应用前景。
发明内容
本发明旨在解决圆环形或圆形光束整形难题，提高光通信链路接收效率或发射效率。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，包括有中心遮拦望远镜天线1、中间光路2、双锥形结构棱镜3、透镜4和接收器5。其中中间光路2与中心遮拦望远镜天线1和双锥形结构棱镜3之间，双锥形结构棱镜3位于中间光路2和透镜4之间，透镜4位于双锥形结构棱镜3和接收器5之间。
进一步地，中心遮拦望远镜天线1与中间光路2之间的光束可以是平行光束、汇聚光束、发散光束和其他特殊结构光束。
进一步地，中间光路2可包含但不限于缩束组镜、自适应光学校正模块、波片、滤光片、衰减片、透镜、棱镜、反射镜等。
进一步地，中间光路2与双锥形结构棱镜3之间的光束为平行光束。
进一步地，双锥形结构棱镜3为前后两个表面都是圆锥形，两个面锥角相等，且中心线重合或平行。
进一步地，双锥形结构棱镜3的锥角在区间(5°,180°)内。
进一步地，双锥形结构棱镜3外圆锥表面中心线与光轴重合。
进一步地，双锥形结构棱镜3与透镜4之间的光束为圆形或圆环形。
进一步地，透镜4的焦距根据双锥形结构棱镜3与透镜4之间的光束结构以及接收器5性能参数共同决定。
进一步地，接收器5可以是单模光纤、多模光纤、空间探测器或其他结构光波导。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可以将圆环形光束整形成圆形光束，提高光纤耦合效率，从而提高接收信号的信噪比。
(2)本发明可以将圆形光束整形成圆环形光束，提高具有中心遮拦的发射天线的发射效率。
(3)本发明可以将圆形光束整形成圆环形光束，提高具有中心遮拦的发射天线的发射效率。
(4)本发明可以根据望远镜结构设计接收光内环半径与外环半径比。
附图说明
图1为本发明的一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端示意图。
图2为环形光斑强度、圆形光斑强度分布图，其中，图2(a)为环形光斑强度分布图，2(b)为圆形光斑强度分布图。
图3为环形光斑艾里斑强度、圆形光斑艾里斑强度分布图，其中，图3(a)为环形光斑艾里斑强度分布图，3(b)为圆形光斑艾里斑强度分布图。
图4为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成圆形光束及双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成更小口径圆环光束示意图，其中，图4(a)为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成圆形光束示意图，4(b)为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成更小口径圆环光束。
图1中：1-有中心遮拦望远镜天线；2-中间光路；3-双锥形结构棱镜；4-透镜；5-接收器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细描述。
在基于有中心遮拦接收天线的空间激光通信接收端中，由于中心遮拦的存在将导致接收端爱里斑零级光斑能量占比下降、次级环能量占比提高，从而导致光纤耦合效率下降。而对于发射链路，由激光器生成的光通常为光强高斯分布，发射天线的中心遮拦将很大程度降低天线发射效率。本发明提出一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，减小甚至消除中心遮拦产生的空白光强暗圈，将望远镜接收的圆环形光束整形成圆形光束，进而提高接收端爱里斑零级光斑能量占比、降低次级环能量占比，实现提高光纤耦合效率的目标。此外，该双锥形结构棱镜还可用于将圆形或圆环形光束整形成更大的圆环形光束，提高基于有中心遮拦的发射天线的发射效率。例如，图4为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成圆形光束及双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成更小口径圆环光束示意图，其中，图4(a)为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成圆形光束示意图，4(b)为双锥形结构棱镜将圆环形光束整形成更小口径圆环光束。
如图1所示，为本发明提出的一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端示意图，包括有中心遮拦望远镜天线1、中间光路2、双锥形结构棱镜3、透镜4和接收器5。其中中间光路2与中心遮拦望远镜天线1和双锥形结构棱镜3之间，双锥形结构棱镜3位于中间光路2和透镜4之间，透镜4位于双锥形结构棱镜3和接收器5之间。中心遮拦望远镜天线1与中间光路2之间的光束可以是平行光束、汇聚光束、发散光束和其他特殊结构光束。中间光路2可包含但不限于缩束组镜、自适应光学校正模块、波片、滤光片、衰减片、透镜、棱镜、反射镜等。中间光路2与双锥形结构棱镜3之间的光束为平行光束。双锥形结构棱镜3为前后两个表面都是圆锥形，两个面锥角相等，且中心线重合或平行。双锥形结构棱镜3的锥角在区间(5°，180°)内。双锥形结构棱镜3外圆锥表面中心线与光轴重合。双锥形结构棱镜3与透镜4之间的光束为圆形或圆环形。透镜4的焦距根据双锥形结构棱镜3与透镜4之间的光束结构以及接收器5性能参数共同决定。接收器5可以是单模光纤、多模光纤、空间探测器或其他结构光波导。中心遮拦望远镜天线遮拦比为ε，中间光路为自适应光学系统，中间光路与双锥形结构棱镜之间的光为外环直径D3的平面圆环形光束，信号光波长为λ，双锥形结构棱镜内外两个面锥角均为θ，且中心线均与光轴重合，厚度(前后锥面定点距离)为l，双锥形结构棱镜设计参数满足以下等式：
式中，n表示双锥结构棱镜玻璃材料相对信号光波段的折射率。
实施例1：本实施例中心遮拦望远镜天线遮拦比为0.26，接收口径为1000mm，中心遮拦望远镜天线与中间光路之间的光为30mm口径的平面圆环形光束，信号光波长为1550nm，中间光路为自适应光学系统，中间光路与双锥形结构棱镜之间的光为外环直径5mm的平面圆环形光束，双锥形结构棱镜内外两个面锥角均为140°，且中心线均与光轴重合，材料为H-ZF6，折射率为1.7552，厚度为4.18mm。
图2展示了双锥形结构棱镜整形前如图2(a)所示环形光斑强度分布图和整形后如图2(b)所示圆形光斑强度分布图。图3展示了双锥形结构棱镜整形前如图3(a)所示环形光斑艾里斑强度分布图和整形后如图3(b)所示圆形光斑艾里斑强度分布图。双锥形结构棱镜整形前艾里斑一级环光强峰值与零级光斑光强峰值比为3.80％，整形后比值降低为1.70％，通过控制耦合透镜的F数(即焦距/口径)改变爱里斑尺寸，得到理论最优耦合效率从69.14％提高到81.45％。
此外，在发射链路中，由于中心遮拦望远镜天线遮拦比为0.26，单模光纤出射光斑为LP01模的高斯光束，不考虑各透镜和反射镜的光能损耗，中心遮拦导致发射效率为89.49％。而实施例中高斯光束通过双锥形结构棱镜整形后的成为内径1.3mm，外径5mm的平面环形光束，后经中间光路进入中心遮拦望远镜天线，出射光束并未受中心遮拦影响，不考虑各透镜和反射镜的光能损耗，发射链路的天线发射效率由89.49％提高到100％。
从上述实施例可以看出，在空间光通信终端，由于天线的中心遮拦导致信号光接收效率和发射效率降低的问题可以通过双锥形结构棱镜得以改善和解决。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端，其特征在于：包括有中心遮拦望远镜天线(1)、中间光路(2)、双锥形结构棱镜(3)、第一透镜(4)和收发器件(5)，其中中间光路(2)位与中心遮拦望远镜天线(1)和双锥形结构棱镜(3)之间，双锥形结构棱镜(3)位于中间光路(2)和第一透镜(4)之间，第一透镜(4)位于双锥形结构棱镜(3)和收发器件(5)之间；
双锥形结构棱镜(3)为前后两个表面都是圆锥形，两个面锥角相等，且中心线重合或平行；双锥形结构棱镜(3)的锥角在区间(5°，180°)内；双锥形结构棱镜(3)外圆锥表面中心线与光轴重合；中心遮拦望远镜天线遮拦比为ε，中间光路为自适应光学系统，中间光路与双锥形结构棱镜之间的光为外环直径D3的平面圆环形光束，信号光波长为λ，双锥形结构棱镜内外两个面锥角均为θ，且中心线均与光轴重合，厚度即前后锥面定点距离为l，双锥形结构棱镜设计参数满足以下等式：
式中，n表示双锥结构棱镜玻璃材料相对信号光波段的折射率；
中心遮拦望远镜天线(1)与中间光路(2)之间的光束是平行光束、汇聚光束或发散光束；
中间光路(2)包含缩束组镜、自适应光学校正模块、波片、滤光片、衰减片、透镜、棱镜、反射镜；
中间光路(2)与双锥形结构棱镜(3)之间的光束为平行光束；
双锥形结构棱镜(3)与第一透镜(4)之间的光束为圆形；
第一透镜(4)的焦距根据双锥形结构棱镜(3)与第一透镜(4)之间的光束结构以及收发器件(5)性能参数共同决定；
收发器件(5)是单模光纤；
中心遮拦望远镜天线遮拦比为0.26，接收口径为1000mm，中心遮拦望远镜天线与中间光路之间的光为30mm口径的平面圆环形光束，信号光波长为1550nm，中间光路为自适应光学系统，中间光路与双锥形结构棱镜之间的光为外环直径5mm的平面圆环形光束，双锥形结构棱镜内外两个面锥角均为140°，且中心线均与光轴重合，材料为H-ZF6，折射率为1.7552，厚度为4.18mm；
在发射链路中，由于中心遮拦望远镜天线遮拦比为0.26，单模光纤出射光斑为LP01模的高斯光束，不考虑各透镜和反射镜的光能损耗，中心遮拦导致发射效率为89.49％，而高斯光束通过双锥形结构棱镜整形后的成为内径1.3mm，外径5mm的平面环形光束，后经中间光路进入中心遮拦望远镜天线，出射光束并未受中心遮拦影响，不考虑各透镜和反射镜的光能损耗，发射链路的天线发射效率由89.49％提高到100％；
该基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端可以将圆环形光束整形成圆形光束，提高光纤耦合效率，从而提高接收信号的信噪比；
该基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端可以将圆形光束整形成圆环形光束，提高具有中心遮拦的发射天线的发射效率；
该基于双锥形结构棱镜的空间光通信终端可以根据望远镜结构设计接收光内环半径与外环半径比。
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