一种可加载径向辐射光源的高精度准直光学天线发射系统技术方案

本发明专利技术属于光通信技术领域，具体为一种可加载径向辐射激光源的高精度准直光学天线发射系统。该天线发射系统的设计方法是基于三维矢量反射定理，由一个离轴椭圆旋转曲面次镜和一个共焦抛物面主镜构成。该天线发射系统所采用的径向辐射激光源是径向辐射的线形激光源或产生径向辐射的环形激光源，既显著提高了光源的辐射功率，又降低了加工制作的难度。本发明专利技术主要解决传统光学发射天线中次镜中心能量损耗的关键技术问题，有助于提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率，无需对半导体激光器输出光束进行预准直即可达到激光束的接近衍射极限的高精度准直传输，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光通信
，具体为一种可加载径向辐射激光源的高精度准直光学天线发射系统。
技术介绍
光学天线系统主要实现对激光束进行扩束并进一步压缩发散角。光学天线是光通信
的关键性发射、接收子系统，高精度的准直精度与高传输效率是光学天线系统能实现远距离传输，高跟踪精度的重要保证。空间光通信通常涉及多波长传输，广泛使用无色差的反射式系统(卡塞格伦型)作为发射和接收天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中心(光)轴上，天线次镜中心部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中心能量损失，因此对远距离空间光通信系统的能量传输造成极大的影响。早在1974年，NASA飞行研宄中心就进行了光通信传输光学天线增益研宄。日本东京国家通信技术研宄所于2006年进行了高速光通信光学天线传输效率研宄。近年来法国开展了新一代光子雷达天线研宄，法国国防部研宄的新一代光子带隙(PBG:photonicband gap)抛物状的天线结构可以极大提高天线的发射效率。2008年度Eberhard KarlsUniversity Tubingen应用物理研宄中心，在APL刊物上发表关于三维光学天线在近场显微镜中的应用研宄结果。2010年度University of Southern California的Los Angeles发表了研宄论文，提出了一种新型结构的光学天线，其光传输是基于光子晶体带隙。2013年，美国科学家对高指向增益的混合结构光学天线进行了研宄。但传统光学天线通常使用半导体激光器作为光源，半导体激光泵浦源的发射光束在快轴方向发散角一般在0°?30°左右，慢轴方向发散角一般在0°?10°左右。国内外所涉及到的光学天线及半导体激光器预准直方法，均采用轴向激光传输方式，难以改善次镜中心部分反射造成的能量损耗，从而一定程度限制了光学天线的传输效率。对于高功率激光发射系统，天线次镜中心部分对入射的高能量激光束的反射将会对激光器造成损伤，因此也一定程度限制了高能激光武器的发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有光学天线存在的不足，解决天线次镜中心能量损耗的关键技术问题，给出了一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统。由于产生轴对称径向辐射的点源激光源加工制作非常困难，且辐射功率较小，本专利技术所采用的径向辐射激光源主要是径向辐射的线形激光源或产生径向辐射的环形激光源，既显著提高了光源的辐射功率，又降低了加工制作的难度。该光学天线发射系统主要由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成，可有效提高光通信发射天线的传输效率，无需对半导体激光器输出光束进行预准直即可达到激光束的接近衍射极限的高精度准直传输，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。本专利技术采用的技术方案可分如下两方面概括:一方面，对产生径向辐射的环形激光源或线形激光源进行发散角调制；另一方面，径向辐射光源产生的激光束经由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成光学天线发射系统传输后，形成接近衍射极限的高精度准直激光束，有效提高光通信发射天线系统的发射精度和传输效率。本专利技术中的径向福射线形激光源可以为一种能实现径向福射的Bragg光纤激光器，该光纤激光器由半导体激光器作为泵浦源，基于回音壁效应产生稳定的径向方位偏振相干激光福射场。该径向福射线形激光源应用于光通信发射天线中将大幅度提高天线系统的传输效率。本专利技术中的环形激光源可以为一种由大功率线源LED所构成的环形阵列。大功率线源LED的出射光束横截面的光强为矩形线状分布。选取慢轴方向发散角极小，快轴方向发散角较大的大功率线源LED构成环形阵列，产生沿环形阵列半径方向上的径向激光辐射场。本专利技术中的高精度准直光学天线发射系统由离轴椭圆旋转曲面次镜和共焦抛物面主镜构成。次镜椭圆的左焦点均位于光学天线系统的主轴上，右焦点的离轴距离由径向辐射光源的有源区域离主轴的距离决定，绕主轴旋转360度形成旋转曲面。抛物面主镜的焦点与次镜椭圆的左焦点重合。本专利技术中的光学天线发射系统的设计是基于矢量反射定理，建立三维天线反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在天线中的空间传输进行三维追迹，获得像质评价参数，具体包括:1)出射三维光束空间发散角；2)点列图，即接收平面的光斑分布；3)能量均匀度，即接收平面的三维能量分布曲面；4)像质评估曲线，即球差、像散、场曲等像差曲线，包括由于天线主次镜轴向离焦与轴外离焦所产生的彗差曲线等。利用遗传算法对天线结构进行优化设计，得到最佳的光束准直效果和空心比。【附图说明】图1为传统光学天线次镜中心反射造成能量损失原理图。图2为本专利技术一种实施例的大功率线源LED环形阵列侧视原理图。图3为本专利技术一种实施例的大功率线源LED环形阵列俯视原理图。图4为本专利技术一种实施例的可加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的结构示意图。图5为本专利技术一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的光线追迹仿真图。图6为本专利技术一种实施例的加载径向辐射环形激光源的高精度准直光学天线发射系统的出射光斑及发散角仿真图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本专利技术。图1所示，空间光通信广泛使用的卡塞格伦型光学发射天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中心(光)轴上，天线次镜中心部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中心能量损失，因此对远距当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可加载径向辐射光源的新型光学天线发射系统，其特征在于该系统采用径向辐射光源，次镜为离轴椭圆旋转曲面，主镜为抛物面；光源所发出的径向辐射激光经光学天线系统后准直为平行空心光束，解决传统光学天线在激光轴向传输过程中由于次镜中心部分反射造成的能量损失，提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华军，江萍，毛盛乾，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51