衛(wèi)星光通信中衍射光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用研究.pdf

1、衛(wèi)星光通信以激光作為信息的載體在衛(wèi)星間和衛(wèi)星與地面間建立高速、迅捷的信息通道，是光通信技術(shù)在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，也是現(xiàn)代衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重要研究方向。隨著衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展特別是小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的體積、重量和功耗提出了更嚴(yán)格的要求。在終端中采用衍射光學(xué)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，從而極大降低終端體積、重量和功耗。目前衍射光學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，衍射光學(xué)器件及折衍射混合光學(xué)器件已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)

2、系統(tǒng)重要組成部分。從目前已發(fā)表的文獻(xiàn)分析，以衛(wèi)星光通信的應(yīng)用為需求背景，進(jìn)行衍射光學(xué)技術(shù)的研究還鮮有報(bào)道。本文以此為研究目標(biāo)，對(duì)應(yīng)用于衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的衍射光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行理論及仿真實(shí)驗(yàn)研究，為衛(wèi)星光通信系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。論文首先對(duì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，包括衛(wèi)星光通信的研究現(xiàn)狀及衍射光學(xué)元件在衛(wèi)星光通信中的應(yīng)用。然后由麥克斯韋方程和波動(dòng)方程出發(fā)，對(duì)光束衍射傳播的基本理論進(jìn)行了介紹，包括光束傳播算法及其矢量推廣、標(biāo)量衍射

3、理論和逆衍射變換等。在此基礎(chǔ)上開展本文研究工作，其主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
　　1.亞波長離軸二元光學(xué)元件（DOE）的設(shè)計(jì)方法的研究衛(wèi)星光通信的應(yīng)用背景往往要求光學(xué)元件具有大孔徑和短焦距的特點(diǎn)，這種要求會(huì)導(dǎo)致所設(shè)計(jì)DOE的特征寬度處于或小于波長量級(jí)（亞波長）。并且對(duì)光通信系統(tǒng)而言，也常涉及多波長和離軸聚焦的情況。亞波長DOE的設(shè)計(jì)方法仍然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文工作是針對(duì)亞波長和離軸衍射DOE元件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，包括DOE角色散

4、及熱特性的理論研究、零階等效介質(zhì)理論、DOE的優(yōu)化算法等。DOE角色散及熱特性理論研究是基于標(biāo)量衍射理論，利用器件二元化方程分析最終得到了衍射光學(xué)元件色散特性和角色散的溫度變化特性的統(tǒng)一理論描述。利用零階等效介質(zhì)理論可以根據(jù)幾何光學(xué)所得到的初始相位，確定亞波長 DOE的輪廓初始值。瑞利-索末菲衍射理論（Rayleigh Sommerfield Diffraction，RS）是由不采取旁軸近似對(duì)標(biāo)量波動(dòng)方程嚴(yán)格解，可對(duì)大口徑、短焦距和離軸

5、衍射傳播進(jìn)行準(zhǔn)確描述。因此利用RS算子迭代算法對(duì)衍射光學(xué)元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不必進(jìn)行旁軸近似，算法的適應(yīng)面更廣。將矢量光束傳播算法（Vectoral Beam Propagation Method，BPM）同RS衍射算子相結(jié)合可以對(duì)亞波長衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的計(jì)算和仿真，為隨機(jī)搜索優(yōu)化提供了可能性。本文給出RS算子迭代算法和矢量BPM搜索算法。為了驗(yàn)證算法的可行性，對(duì)二元相位的亞波長DOE光束整形進(jìn)行了設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證算法

6、是可行的。
　　2.波分復(fù)用DOE器件設(shè)計(jì)和研制為了拓展衛(wèi)星光通信的數(shù)據(jù)傳輸容量，利用DOE實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星光通信中的波分復(fù)用器件。根據(jù)本文所提出的DOE角色散特性理論確定了優(yōu)化的目標(biāo)值，并利用幾何光學(xué)能量守恒原理計(jì)算了相位初始值，利用RS算子迭代算法設(shè)計(jì)了波分復(fù)用DOE（WDM-DOE）器件。WDM-DOE在一塊純相位的衍射光學(xué)元件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入光束的波長分離和聚焦功能。研制了WDM-DOE器件，并測試了衍射光斑的色散特性。測試結(jié)

7、果同理論設(shè)計(jì)一致。
　　3.復(fù)合光路DOE設(shè)計(jì)和仿真為了降低衛(wèi)星光通信終端中的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，并簡化系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度，本文提出一種將終端信標(biāo)光路和信號(hào)光路進(jìn)行整合的DOE器件。器件將信標(biāo)光波長光束聚焦為環(huán)狀光斑用作四象限探測接收，將信號(hào)光波長光束聚焦為點(diǎn)狀光斑用作APD接收。器件同時(shí)將信標(biāo)光路和信號(hào)光路進(jìn)行整合的同時(shí)提高了光束的能量利用率。對(duì)器件在不同角度光束入射下的衍射效果進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明器件在不同角度入射下衍射光斑無形

8、變，適于衛(wèi)星光通信應(yīng)用。
　　4.Λ形光斑角探測技術(shù)研究衛(wèi)星光通信中，采用瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行鏈路的建立和保持是通信實(shí)現(xiàn)的先決條件，角度探測的精度和速度是鏈路建立保持系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。為了提高角探測的速度，本文提出Λ形光斑角探測技術(shù)，并給出此種機(jī)制下的一維改進(jìn)質(zhì)心算法和實(shí)現(xiàn)聚焦Λ形光斑的DOE器件。此種角度探測機(jī)制利用DOE將輸入激光束聚焦為Λ形光斑，并采用一維線陣CCD對(duì)二維角度偏轉(zhuǎn)進(jìn)行了探測。利用Λ形光斑角探測技術(shù)，在不損失探測