CN115808733A - 一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，该滤波片包括基底玻璃层以及基底玻璃层两侧的镀膜层，所述基底玻璃层两侧的镀膜层包括入射光侧的全介质F‑P窄带膜系和出射光侧的长短波通膜系叠加，所述全介质F‑P窄带膜系表示为(HLH)^S12L(HLH)^S1；所述长短波通膜系叠加表示为(0.5H L 0.5H)^S2(0.5L H 0.5L^)^S3；其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，S1，S2，S3为迭代次数。本发明通过减小窄带滤光片的角度敏感性和缩小带宽，显著提高日光抑制比，有效缩小了日光规避角，进而提升链路可用度。

Description

一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片。
背景技术
随着卫星的轨道运动，卫星激光通信系统每年都可能遇到多次日凌情况。日光作为杂散光会从各个入射角度进终端，将造成激光链路性能下降，严重时链路会发生中断。现有的设计中，终端对视场内日光采取了滤波措施进行抑制，但忽略了视场外的日光入射进终端产生的二次杂散光影响，应用效果不理想。
现有卫星激光通信终端信号接收通道中，窄带滤光片选用Ta2O5和SiO2（材料折射率比值1.49左右），通过长波通和短波通膜系叠加进行单面膜层设计，制备出的窄带滤光片对角度敏感，且带宽较宽。窄带滤光片为保证终端信噪比，只能在±2°范围内工作，考虑杂散光影响因素，终端在日凌时的规避角为±5°左右，使得激光通信可链路时间受限，对今后的空间组网策略影响较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，通过减小窄带滤光片的角度敏感性和缩小带宽，显著提高日光抑制比，有效缩小了日光规避角，进而提升链路可用度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，包括基底玻璃层以及基底玻璃层两侧的镀膜层，所述基底玻璃层两侧的镀膜层包括入射光侧的全介质F-P窄带膜系和出射光侧的长短波通膜系叠加，所述全介质F-P窄带膜系表示为(HLH)^S12L (HLH)^S1；所述长短波通膜系叠加表示为(0.5H L 0.5H)^S2(0.5L H 0.5L^)^S3；其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，S1，S2，S3为迭代次数。
进一步地，所述高折射率材料选取透明区1~9um，折射率3.4的Si；低折射率材料选取透明区0.2~9um，折射率1.45的SiO2。
进一步地，所述全介质F-P窄带膜系0.9倍峰值透过率带宽由式（1）决定；峰值透过率由式（2）决定，长短波通膜系截止区由式（3）决定：
Figure SMS_1
（1）
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）
式中，
Figure SMS_4
为窄带滤光片带宽，
Figure SMS_5
为中心波长，m为干涉级次，R为反射率，
Figure SMS_6
为间隔层两侧平均反射率，T max 为最大透过率，T 1为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S12L (HLH)^S1中以2L作为间隔层左侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，T 2为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S12L(HLH)^S1中以2L作为间隔层右侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，
Figure SMS_7
为截止区边界，n H 为高折射率材料的折射率，n L 为低折射率材料的折射率。
进一步地，所述基底玻璃层两侧的镀膜层采用电子束热蒸发的方法进行双面膜层制备；蒸镀过程采用RF离子源助镀。
本发明的有益效果为：
本发明的窄带滤光片，可使激光通信终端的日光规避角由±5°缩小到±3°，显著提高链路可用时间。
附图说明
图1为本发明的窄带滤光片0°和±8°入射时的光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本实施例的一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，包括基底玻璃层以及基底玻璃层两侧的镀膜层，所述基底玻璃层两侧的镀膜层包括入射光侧的全介质F-P窄带膜系和出射光侧的长短波通膜系叠加，所述全介质F-P窄带膜系表示为(HLH)^S12L (HLH)^S1；所述长短波通膜系叠加表示为(0.5H L 0.5H)^S2(0.5L H 0.5L^)^S3；其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，S1，S2，S3为迭代次数。
在进行膜系设计时，材料折射率的比值决定了整体膜层对角度的敏感性，比值越大对角度敏感性越低，也就是当入射角变大时，光谱向短波偏移量越小。基于这一理论，高折射率材料选取透明区1~9um，折射率3.4的Si；低折射率材料选取透明区0.2~9um，折射率1.45的SiO2；材料折射率比值为2.35。
当太阳出现在卫星激光终端的视场之外时，即日光以较大入射角进入系统，此时应将日光视为点辐射源。日光辐射光功率为：
Figure SMS_8
，其中
Figure SMS_9
为点辐射源在信号光波长1550nm波段处的辐照度谱密度，D为系统口径，
Figure SMS_10
为窄带滤光片带宽；抑制比V的计算公式如式（4）所示：
Figure SMS_11
（4）
式中，
Figure SMS_12
表示信号光接收功率，
Figure SMS_13
表示日光接收功率，
Figure SMS_14
表示信号光+日光总的接收功率，即带宽越窄，日光辐射光功率越小，抑制比越高。
所述全介质F-P窄带膜系0.9倍峰值透过率带宽由式（1）决定；峰值透过率由式（2）决定，长短波通膜系截止区由式（3）决定：
Figure SMS_15
（1）
Figure SMS_16
（2）
Figure SMS_17
（3）
式中，
Figure SMS_18
为窄带滤光片带宽，
Figure SMS_19
为中心波长，m为干涉级次，R为反射率，
Figure SMS_20
为间隔层两侧平均反射率，T max 为最大透过率，T 1为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S12L (HLH)^S1中以2L作为间隔层左侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，T 2为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S12L(HLH)^S1中以2L作为间隔层右侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，
Figure SMS_21
为截止区边界，n H 为高折射率材料的折射率，n L 为低折射率材料的折射率。
本实施例中综合以上分析和计算，基底选取在200~730nm不透光，750~1700nm透过率为99.2%的有色玻璃，最终设计结果S1面总膜厚为：7724nm；S2面总膜厚为：4292nm。不同入射角对应透过率曲线如图1所示，0°、±3°和±8°入射时窄带滤光片在380~1545nm和1565~1700 nm波段截止度均为OD6；0°入射时峰值透过波段为1555.5~1558.1nm，带宽2.6nm，峰值透过率90%，±3°入射时透过率峰值处短波偏移量约0.7nm，峰值透过波段为1554.8~1557.4nm，带宽2.6nm，峰值透过率92%；±8°入射时透过率峰值处短波偏移量约2nm，峰值透过波段为1553.5~1556.2nm，带宽2.8nm，峰值透过率94.5%。
镀膜机选用OPTORUN公司的OTFC-1800-DBI-PX箱式真空镀膜机。采用电子束热蒸发的方法进行双面膜层制备；蒸镀过程采用RF离子源助镀，HOM2-R-VIS350A光学膜厚监控仪进行膜厚监控。镀膜具体参数如表1、2所示。流量计1、2充氧气；流量计3充Ar气。
表1离子源参数表
Figure SMS_22
表2 Si和SiO2的蒸镀工艺参数
Figure SMS_23
制备完成后对窄带滤光片0°、±3°和±8°光谱测试，与对应设计光谱基本重合。
窄带滤光片的安装
将信号接收窄带滤光片安装在激光通信装置后光路中的信号接收光路探测器前，与竖直方向夹角成0°。信号光入射到接收光路中，经过反射镜和分束镜后，经过窄带滤光片滤波，被探测器接收。
发明效果测试
日光辐射源太阳是理想黑体，激光通信装置信号光波长为1556nm，在红外谱段的太阳辐射光谱曲线与白炽灯辐射曲线最接近。为在实验室内进行本发明专利的效果测试，用以白炽灯为光源的白光平行光管模拟日光环境。
检测工具为1556nm激光器、白光平行光管、激光功率计OLP-87和高精度一维转台，具体测试步骤为：
1）用1556nm激光器照射在白光平行光管上，平行光管出射平行光；
2）将窄带滤光片以垂直方向0°的夹角放置在激光通信装置后光路接受探测器前，将光路放在转台上，调整转台和光路的相对位置，使光轴与白光平行光管光轴平行；
3）将功率计放置在光路后，调整功率计位置使功率计读数最大，记录功率计数值P1；
4）顺时针转动转台，从0°~±3°和±5°~±8°范围内分别选择多个角度，用功率计测量相应角度功率P2；
5）计算不同角度日光抑制比。
计算得出，角度为0°时，抑制比为29.3dB；角度为±1°时，抑制比为37dB；角度为±3°时，抑制比为40.1dB；角度为±5°时，抑制比为45.5dB；角度为±7°时，抑制比为49.4dB；角度为±8°时，抑制比为52dB。
在日光干扰下，一般要求卫星激光通信终端窄带滤光片的抑制比在40dB以上，上述不同角度下抑制比计算结果可以看出，在±3°~±8°时日光抑制比均＞40dB。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，其特征在于，所述滤波片包括基底玻璃层以及基底玻璃层两侧的镀膜层，所述基底玻璃层两侧的镀膜层包括入射光侧的全介质F-P窄带膜系和出射光侧的长短波通膜系叠加，所述全介质F-P窄带膜系表示为(HLH)^S12L (HLH)^S1；所述长短波通膜系叠加表示为(0.5H L 0.5H)^S2 (0.5L H 0.5L^)^S3；其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，S1，S2，S3为迭代次数。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，其特征在于，所述高折射率材料选取透明区1~9um，折射率3.4的Si；低折射率材料选取透明区0.2~9um，折射率1.45的SiO2。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，其特征在于，所述全介质F-P窄带膜系0.9倍峰值透过率带宽由式（1）决定；峰值透过率由式（2）决定，长短波通膜系截止区由式（3）决定：
Figure QLYQS_1
（1）
Figure QLYQS_2
（2）
Figure QLYQS_3
（3）
式中，
Figure QLYQS_4
为窄带滤光片带宽，
Figure QLYQS_5
为中心波长，m为干涉级次，R为反射率，
Figure QLYQS_6
为间隔层两侧平均反射率，T max 为最大透过率，T 1为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S1 2L (HLH)^S1中以2L作为间隔层左侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，T 2为全介质F-P窄带膜系 (HLH)^S1 2L (HLH)^S1中以2L作为间隔层右侧膜堆结构(HLH)^S1透过率，
Figure QLYQS_7
为截止区边界，n H 为高折射率材料的折射率，n L 为低折射率材料的折射率。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于卫星激光通信的高日光抑制比滤波片，其特征在于，所述基底玻璃层两侧的镀膜层采用电子束热蒸发的方法进行双面膜层制备；蒸镀过程采用RF离子源助镀。
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