發(fā)布時間：2021-02-06 06:02

　　空間激光通信與傳統(tǒng)的射頻通信不同,使用激光光束作為傳播信息的載體,激光光束發(fā)散角小接近衍射極限,因此指向性好,解決了傳統(tǒng)射頻通信功率大,保密性不高的問題;同時激光具有相干性,頻譜資源豐富,借助光混頻器進(jìn)行高靈敏度的相干接收可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息通信,與常用的強(qiáng)度調(diào)制/直接探測方式相比優(yōu)勢巨大。激光通信涉及到多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在對激光光束的處理過程中還存在著很多問題有待解決。本文首先分析了空間激光通信系統(tǒng)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),提出了目前存在的問題,并使用非球面光束整形鏡組來改善這些問題。a)光學(xué)天線一般使用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng),是一種反射式望遠(yuǎn)鏡,次鏡會對中心光束造成遮擋。激光光束為高斯分布,中間強(qiáng)度大,邊緣強(qiáng)度小,采用非球面整形鏡對光束進(jìn)行整形處理再經(jīng)過光學(xué)天線發(fā)射可減小天線次鏡遮擋造成的能量損失,將激光光束的振幅分布模式由高斯分布改變?yōu)榫鶆蚍植?與不加入整形功能的光學(xué)天線相比,其發(fā)射效率可提高11%。b)空間光束進(jìn)入到光學(xué)系統(tǒng)后需要耦合進(jìn)單模光纖中,然而由于入射光束和單模光纖模式不匹配問題,遠(yuǎn)距離傳播后的光束即使排除大氣湍流、接收端的像差等因素后仍不能較高效率的耦合進(jìn)單模光纖中,借助反射式光束整形... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

半導(dǎo)體激光器光束出射圖[5]

2圖1.1半導(dǎo)體激光器光束出射圖[5]國外關(guān)于光束整形的研究最早可以追溯到1965年B.R.Frieden[6]提出的通過雙折射透鏡組對激光光束進(jìn)行光強(qiáng)分布的重新變換。Frieden采用能量守恒定律來重新分配出射面的光強(qiáng)分布，從而進(jìn)行準(zhǔn)直校正。1969年J.L.Kreuzer[7]也提出了類似的理論。2000年JohnA.Hoffnagle和MichaelJefferson[8]在IBM的研究實(shí)驗(yàn)中心描述了包含兩個非球面透鏡的系統(tǒng)，其有效地將準(zhǔn)直的高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束�；疽c(diǎn)是共同使用具有凸面，非球面表面的正透鏡，并選擇適當(dāng)歸一化和連續(xù)的輸出功率分布，在徑向最大限度的減少衍射效應(yīng)。通過使用低色散材料制作鏡片，只需要一種結(jié)構(gòu)即可對深紫外到近紅外的任何波長進(jìn)行強(qiáng)度變換。通過理論輸出曲線和實(shí)驗(yàn)測量的強(qiáng)度分布的定量一致性來說明設(shè)計(jì)的實(shí)用性，表明非球面光學(xué)系統(tǒng)的整體圖形是準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的。該光束可以傳播0.5米而沒有明顯的均勻性損失。測量的輸出光束光場強(qiáng)度分布與理想輪廓的偏差主要是由于所制造的光學(xué)表面與理想形狀的小的局部偏差。在小尺寸鏡片上去除量約13微米，這對于標(biāo)準(zhǔn)磁流變拋光系統(tǒng)也是有難度的。光束傳播對圖形誤差非常敏感，小的準(zhǔn)直誤差也會在光束傳播時引起明顯的強(qiáng)度重新分配，如下圖1.2所示。從圖中可以看到當(dāng)光束傳播距離小于500mm時，光場強(qiáng)度分配圖沒有明顯變化，如圖1.2中的(a)，(b)，(c)所示；當(dāng)距離再增加，光場強(qiáng)度分配逐漸發(fā)生變化，中心強(qiáng)度開始出現(xiàn)凹陷，不能保持均勻強(qiáng)度分布，如圖1.2中的(d)，(e)，(f)所示。圖1.2不同傳播距離處CCD傳感器上的圖像以及相應(yīng)的光強(qiáng)分配圖像[8]。a)D=25mm;b)D=225mm;c)D=425mm;d)D=625mm;e)D=1025mm;f)D=1425m.

32006年DavidL.Shealy和JohnA.Hoffnagle[9]分析了四個用來描述平頂輻照度分布的函數(shù)類型：超高斯型；平頂高斯型；費(fèi)米-狄拉克型和超洛倫茲型。確定不同分布的形狀和寬度參數(shù)，當(dāng)每個函數(shù)都具有相同的半徑和半徑高度時，評估匹配的輪廓形狀和寬度參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。通過使用基爾霍夫-菲涅爾衍射理論和M2分析衍射模式，示意圖如圖1.3所示，圖中(a)為超洛倫茲型，匹配的參數(shù)q=16.4，R=0.9295；圖中(b)為費(fèi)米-狄拉克型，匹配的參數(shù)β=16.2，R=0.9295；圖中(c)為平頂高斯型，匹配的參數(shù)N=18，R=1；圖中(d)為超高斯型，匹配的參數(shù)p=11.14，R=1.0222.實(shí)線表示菲涅爾數(shù)為15時的輻照度分布；虛線表示菲涅爾數(shù)為10時的輻照度分布；點(diǎn)虛線菲涅爾數(shù)為5時的輻照度分布。從中可以得出結(jié)論：四個函數(shù)的衍射圖案差別很小，可能無法通過實(shí)驗(yàn)區(qū)分。因此，光束整形器件可以被設(shè)計(jì)成這四種函數(shù)類型中的任意一種。匹配的參數(shù)將產(chǎn)生相似的輻照度分布。圖1.3超高斯型；平頂高斯型；費(fèi)米-狄拉克型和超洛倫茲型函數(shù)圖像[9]國內(nèi)還有借助衍射光學(xué)元件進(jìn)行光束整形的相關(guān)研究。2007年林勇[10]等人為了改善高密度全息存儲中入射到記錄介質(zhì)上光斑的質(zhì)量,提高存儲密度,在參考光束中加入了衍射光學(xué)元件將高斯光束的圓形光束整形為均勻分布的矩形光束，如圖1.4所示，其均方根誤差和頂部不均勻度值分別為0.75%和0.46%,能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)94.91%。此方法可以使輸出光束光場分布具有很好的頂部均勻度，采用了模糊控制迭代算法來減小均方根誤差，可以用來設(shè)計(jì)光束整形衍射元件，主要用于小功率的激光器，例如林勇在文中提到的全息存儲技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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[2]零差相干激光通信系統(tǒng)中高效率空間混頻器設(shè)計(jì)與測試[D]. 曹海帥.長春理工大學(xué) 2018
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本文編號：3020275