空間光通信中高精度激光束準直和光學天線設計與實現(xiàn).pdf

1、空間光通信是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄐ欧绞剑趪李A研和民用方面都有著廣闊的應用前景。 本文主要針對空間光通信的兩項關(guān)鍵技術(shù)：高精度的激光束準直和先進的光學天線技術(shù)進行了深入的研究。探索了光子晶體在光通信中的應用。建立了一套仿真軟件對光通信系統(tǒng)中的光學平臺進行優(yōu)化設計，并進行了加工(實現(xiàn))、實驗測試和驗證。 論文的主要結(jié)論如下： 1．利用高斯光束在空間的傳輸規(guī)律，設計了平凸透鏡組所構(gòu)成的點源激光束準直系統(tǒng)。通過實驗測

2、試其準直發(fā)散角為2.93mrad，該值不滿足課題指標要求(<-0.5mrad)，需探索新的高精度準直方法。分析了二元光學準直方法，但限于加工昂貴，未實際加工。 2．研究了非球面(圓面、橢圓面、拋物面、雙曲面)柱透鏡組激光束準直系統(tǒng)，利用遺傳算法和MATLAB最優(yōu)化工具箱仿真得到860nm點源半導體激光束的最優(yōu)橢圓柱透鏡組準直發(fā)散角為115μrad，對于830nm波長的激光準直發(fā)散角為112μrad，該準直方法有效地提高了準直精度

3、，滿足課題指標要求。最后從理論上，提出了一種能實現(xiàn)更高精度的理想非球面準直方法。 3．利用矢量形式的折射定理，建立了一種對復雜光學系統(tǒng)(包括非球面、非軸對稱的光學系統(tǒng))的三維空間光線的精確追跡方法，得出了光線的矩陣傳遞公式。利用該方法對大功率線源半導體激光束柱透鏡組準直系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。實驗測試結(jié)果表明：778nm的激光束準直發(fā)散角為1.93 mrad。對于917nm的激光束準直發(fā)散角為2.13mrad。滿足課題對信標光指標要

4、求(<-5mrad)。 4．對布拉格光纖徑向準周期結(jié)構(gòu)建立了仿真理論模型，研究了徑向包層結(jié)構(gòu)對光傳輸特性的影響。另外對準周期結(jié)構(gòu)的容差進行了詳細討論。對一維光子晶體全反射鏡、濾波器也進行了仿真設計。 5．分析了光學天線增益的影響因素，構(gòu)建了發(fā)散角與光學天線結(jié)構(gòu)的仿真理論模型，優(yōu)化設計了卡塞格倫光學天線系統(tǒng)。研究了光通信系統(tǒng)最大通信距離的影響因數(shù)。對光學天線進行了加工，并利用波像差測試儀進行了測試，其波像差均方值為0.04

5、1λ，滿足設計指標要求(≤λ/20)。 6．研究了光通信近場模擬遠場的方法，并構(gòu)建了判斷光學天線系統(tǒng)光軸偏離的仿真理論模型。對光學天線傳輸效率進行了實驗測試，結(jié)果為59.38％。對其小于理論設計值65％的原因進行了誤差分析。對光通信系統(tǒng)中的一種新型三維高密信息存儲單元技術(shù)進行了研究。 建立了仿真軟件對光通信系統(tǒng)中光學平臺進行優(yōu)化設計，并進行了加工實現(xiàn)、對光學平臺的聚焦光斑和視場角進行了實驗測試。所有測試結(jié)果表明該光學平臺