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,借助光混頻器進行高靈敏度的相干接收可實現超高容量的信息通信,與常用的強度調制/直接探測方式相比優(yōu)勢巨大。激光通信涉及到多項關鍵技術,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)中的幾項關鍵技術,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)光學天線一般使用卡塞格林光學系統(tǒng),是一種反射式望遠鏡,次鏡會對中心光束造成遮擋。激光光束為高斯分布,中間強度大,邊緣強度小,采用非球面整形鏡對光束進行整形處理再經過光學天線發(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天線相比,其發(fā)射效率可提高11%。b)空間光束進入到光學系統(tǒng)后需要耦合進單模光纖中,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單模光纖中,借助反射式光束整形... 

【文章來源】：長春理工大學吉林省

【文章頁數】：67 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

半導體激光器光束出射圖[5]

2圖1.1半導體激光器光束出射圖[5]國外關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行光強分布的重新變換。Frieden采用能量守恒定律來重新分配出射面的光強分布，從而進行準直校正。1969年J.L.Kreuzer[7]也提出了類似的理論。2000年JohnA.Hoffnagle和MichaelJefferson[8]在IBM的研究實驗中心描述了包含兩個非球面透鏡的系統(tǒng)，其有效地將準直的高斯光束轉換為平頂光束。基本要點是共同使用具有凸面，非球面表面的正透鏡，并選擇適當歸一化和連續(xù)的輸出功率分布，在徑向最大限度的減少衍射效應。通過使用低色散材料制作鏡片，只需要一種結構即可對深紫外到近紅外的任何波長進行強度變換。通過理論輸出曲線和實驗測量的強度分布的定量一致性來說明設計的實用性，表明非球面光學系統(tǒng)的整體圖形是準確實現的。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度分布與理想輪廓的偏差主要是由于所制造的光學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，這對于標準磁流變拋光系統(tǒng)也是有難度的。光束傳播對圖形誤差非常敏感，小的準直誤差也會在光束傳播時引起明顯的強度重新分配，如下圖1.2所示。從圖中可以看到當光束傳播距離小于500mm時，光場強度分配圖沒有明顯變化，如圖1.2中的(a)，(b)，(c)所示；當距離再增加，光場強度分配逐漸發(fā)生變化，中心強度開始出現凹陷，不能保持均勻強度分布，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的光強分配圖像[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類型：超高斯型；平頂高斯型；費米-狄拉克型和超洛倫茲型。確定不同分布的形狀和寬度參數，當每個函數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之間的函數關系。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q=16.4，R=0.9295；圖中(b)為費米-狄拉克型，匹配的參數β=16.2，R=0.9295；圖中(c)為平頂高斯型，匹配的參數N=18，R=1；圖中(d)為超高斯型，匹配的參數p=11.14，R=1.0222.實線表示菲涅爾數為15時的輻照度分布；虛線表示菲涅爾數為10時的輻照度分布；點虛線菲涅爾數為5時的輻照度分布。從中可以得出結論：四個函數的衍射圖案差別很小，可能無法通過實驗區(qū)分。因此，光束整形器件可以被設計成這四種函數類型中的任意一種。匹配的參數將產生相似的輻照度分布。圖1.3超高斯型；平頂高斯型；費米-狄拉克型和超洛倫茲型函數圖像[9]國內還有借助衍射光學元件進行光束整形的相關研究。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上光斑的質量,提高存儲密度,在參考光束中加入了衍射光學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%,能量轉換效率可達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，可以用來設計光束整形衍射元件，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。

【參考文獻】：
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碩士論文
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[3]相干光通信的關鍵技術研究[D]. 劉永暢.東南大學 2017
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本文編號：3020275