一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统，包括激光光源以及依次位于激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，激光光源位于非球面透镜的焦点处；激光光源用于发射激光；非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，以将激光的发散角压缩至第一预设范围内；扩束准直透镜组包括依次位于激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，扩束准直透镜组用于对激光进行扩束准直，从而使得水下激光光源系统出射的激光的发散角较小，能够保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大。

【技术实现步骤摘要】
一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统
本专利技术涉及无线光通信
，更具体地说，涉及一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统。
技术介绍
水下环境含有丰富的自然资源，但是，目前95％的水下环境未被开发利用。如图1所示，水下无人潜航器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)10和水下传感器网络(UnderwaterSensorNetwork，UWSN)20是水下环境开发的关键器件，但是，这些器件之间需要一种远距离、高带宽的无线通信方式进行数据传输。现有的无线通信方式中，与电磁波通信和声波通信相比，光通信由于在水下具有较大的带宽的较小的延迟，因此，更适合应用于水下环境开发。而激光二极管由于具有发散角小、传输距离较远等优点，因此，更适合作为水下无线光通信系统的光源。但是，由于激光在水中传输时会伴随着光的衰减和散射，光的衰减会导致传输距离变短，光的散射会导致光斑变大，进而导致激光的功率密度下降，因此，为了保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大，需要保证激光具有尽可能小的发散角。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种水下激光光源系统和水下无线光通信系统，以通过发散角足够小的激光实现水下的无线光通信。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种水下激光光源系统，包括激光光源以及依次位于所述激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，所述激光光源位于所述非球面透镜的焦点处；所述激光光源用于发射激光；所述非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对所述激光进行准直，以将所述激光的发散角压缩至第一预设范围内；所述扩束准直透镜组包括依次位于所述激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，所述扩束准直透镜组用于对所述激光进行扩束准直。可选地，所述激光的波长范围为450nm～550nm。可选地，所述非球面透镜的有效焦距范围为4.5mm～4.7mm，所述非球面透镜的直径为5.9mm～6.1mm，所述非球面透镜的中心厚度为3mm～3.2mm，所述非球面透镜的折射率为1.7～1.73。可选地，所述非球面透镜的有效焦距为4.6mm，所述非球面透镜的直径为6mm，所述非球面透镜的中心厚度为3.1mm，所述非球面透镜的折射率为1.724。可选地，所述平凹透镜和所述平凸透镜的焦距之比为10。可选地，所述平凹透镜的有效焦距为16.5mm～17mm，所述平凹透镜的直径为9.5mm～10.5mm，所述平凹透镜的中心厚度为1mm～1.5mm，所述平凹透镜的折射率为1.5～1.53。可选地，所述平凹透镜的有效焦距为16.87mm，所述平凹透镜的直径为10mm，所述平凹透镜的中心厚度为1.25mm，所述平凹透镜的折射率为1.516。可选地，所述平凸透镜的有效焦距为83.15mm～90mm，所述平凸透镜的直径为24mm～26mm，所述平凸透镜的中心厚度为4mm～4.3mm，所述平凸透镜的折射率为1.5～1.53。可选地，所述平凸透镜的有效焦距为83.65mm，所述平凸透镜的直径为25mm，所述平凸透镜的中心厚度为4.136mm，所述平凸透镜的折射率为1.516。一种水下无线光通信系统，包括如上任一项所述的水下激光光源系统。与现有技术相比，本专利技术所提供的技术方案具有以下优点：本专利技术所提供的水下激光光源系统和水下无线光通信系统，先通过非球面透镜沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，将激光的发散角压缩至第一预设范围内，再通过扩束准直透镜组即平凹透镜和平凸透镜对激光进行扩束准直，根据高斯光束变换定理，经过扩束准直透镜组后，激光光束的束腰半径扩大了，使得激光光束的发散角进一步减小了，从而使得水下激光光源系统出射的激光的发散角较小，能够保证激光在水中的传输距离足够远、功率密度足够大。并且，本专利技术仅采用一个非球面透镜、一个平凹透镜和一个平凸透镜，即可将激光的发散角压缩到很小的范围内，也就是说，本专利技术的水下激光光源系统所需光学元件较少，具有结构紧凑、尺寸较小、装配精度较低等优点，非常适合于水下无线光通信系统的应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为现有的水下无人潜航器和水下传感器网络的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的水下激光光源系统的结构示意图；图3为本专利技术一个实施例提供的非球面透镜2的俯视图；图4为图3所示的非球面透镜2沿AA切割线的剖面结构示意图；图5为本专利技术一个实施例提供的平凹透镜3的俯视图；图6为图5所示的平凹透镜3沿HH切割线的剖面结构示意图；图7为本专利技术一个实施例提供的平凸透镜4的俯视图；图8为图7所示的平凸透镜4沿JJ切割线的剖面结构示意图；图9为组装完成后的水下激光光源系统的结构参数示意图；图10和图11为本专利技术实施例提供的水下激光光源系统的仿真曲线图。具体实施方式以上是本专利技术的核心思想，为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供了一种水下激光光源系统，如图2所示，包括激光光源1以及依次位于激光光源1出射光路上的非球面透镜2和扩束准直透镜组，激光光源1位于非球面透镜2的焦点处；激光光源1用于发射激光；非球面透镜2用于沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，以将激光的发散角压缩至第一预设范围内；扩束准直透镜组包括依次位于激光光源1出射光路上的平凹透镜3和平凸透镜4，扩束准直透镜组用于对激光进行扩束准直。根据高斯光束变换定理，经过扩束准直透镜组后，激光光束的束腰半径扩大了，使得激光光束的发散角进一步减小了。可选地，本专利技术实施例中的激光光源1为半导体激光器。由于半导体激光器所发出的激光具有发散角大、在垂直于结平面方向即慢轴方向和平行于结平面方向即快轴方向发散角不相等、远场光斑为椭圆形的特点，因此，在水下光通信中为了使发散角光能量集中、传输距离更远，需要对半导体激光器发出的激光进行准直。本专利技术实施例中，先通过非球面透镜2沿快轴方向和慢轴方向对激光进行准直，将激光的发散角压缩至第一预设范围内，再通过扩束准直透镜组中的平凹透镜3和平凸透镜4对激光进行扩束准直，进一步减小激光的发散角压，如第一预设范围为1mrad～1.5mrad，如经过扩束准直透镜组后激光的发散角小于1mrad，优选地，本专利技术实施例中的水下激光光源系统最终出射的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下激光光源系统，其特征在于，包括激光光源以及依次位于所述激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，所述激光光源位于所述非球面透镜的焦点处；/n所述激光光源用于发射激光；/n所述非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对所述激光进行准直，以将所述激光的发散角压缩至第一预设范围内；/n所述扩束准直透镜组包括依次位于所述激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，所述扩束准直透镜组用于对所述激光进行扩束准直。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下激光光源系统，其特征在于，包括激光光源以及依次位于所述激光光源出射光路上的非球面透镜和扩束准直透镜组，所述激光光源位于所述非球面透镜的焦点处；
所述激光光源用于发射激光；
所述非球面透镜用于沿快轴方向和慢轴方向对所述激光进行准直，以将所述激光的发散角压缩至第一预设范围内；
所述扩束准直透镜组包括依次位于所述激光光源出射光路上的平凹透镜和平凸透镜，所述扩束准直透镜组用于对所述激光进行扩束准直。


2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述激光的波长范围为450nm～550nm。


3.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述非球面透镜的有效焦距范围为4.5mm～4.7mm，所述非球面透镜的直径为5.9mm～6.1mm，所述非球面透镜的中心厚度为3mm～3.2mm，所述非球面透镜的折射率为1.7～1.73。


4.根据权利要求3所述的光源系统，其特征在于，所述非球面透镜的有效焦距为4.6mm，所述非球面透镜的直径为6mm，所述非球面透镜的中心厚度为3.1mm，所述非球面透镜的折射率为1.724。


5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彩明，张爱东，李仲怡，蒋锐，
申请(专利权)人：鹏城实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44