空間光通信中高精度激光束準(zhǔn)直和光學(xué)天線設(shè)計(jì)與實(shí)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?guó)防預(yù)研和民用方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。 本文主要針對(duì)空間光通信的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：高精度的激光束準(zhǔn)直和先進(jìn)的光學(xué)天線技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。探索了光子晶體在光通信中的應(yīng)用。建立了一套仿真軟件對(duì)光通信系統(tǒng)中的光學(xué)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工(實(shí)現(xiàn))、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)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(shè)計(jì)了平凸透鏡組所構(gòu)成的點(diǎn)源激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)

2、試其準(zhǔn)直發(fā)散角為2.93mrad，該值不滿足課題指標(biāo)要求(<-0.5mrad)，需探索新的高精度準(zhǔn)直方法。分析了二元光學(xué)準(zhǔn)直方法，但限于加工昂貴，未實(shí)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(zhǔn)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(diǎn)源半導(dǎo)體激光束的最優(yōu)橢圓柱透鏡組準(zhǔn)直發(fā)散角為115μrad，對(duì)于830nm波長(zhǎng)的激光準(zhǔn)直發(fā)散角為112μrad，該準(zhǔn)直方法有效地提高了準(zhǔn)直精度

3、，滿足課題指標(biāo)要求。最后從理論上，提出了一種能實(shí)現(xiàn)更高精度的理想非球面準(zhǔn)直方法。 3．利用矢量形式的折射定理，建立了一種對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)(包括非球面、非軸對(duì)稱的光學(xué)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(duì)大功率線源半導(dǎo)體激光束柱透鏡組準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：778nm的激光束準(zhǔn)直發(fā)散角為1.93 mrad。對(duì)于917nm的激光束準(zhǔn)直發(fā)散角為2.13mrad。滿足課題對(duì)信標(biāo)光指標(biāo)要

4、求(<-5mrad)。 4．對(duì)布拉格光纖徑向準(zhǔn)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(duì)光傳輸特性的影響。另外對(duì)準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的容差進(jìn)行了詳細(xì)討論。對(duì)一維光子晶體全反射鏡、濾波器也進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。 5．分析了光學(xué)天線增益的影響因素，構(gòu)建了發(fā)散角與光學(xué)天線結(jié)構(gòu)的仿真理論模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了卡塞格倫光學(xué)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(duì)光學(xué)天線進(jìn)行了加工，并利用波像差測(cè)試儀進(jìn)行了測(cè)試，其波像差均方值為0.04

5、1λ，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(≤λ/20)。 6．研究了光通信近場(chǎng)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的方法，并構(gòu)建了判斷光學(xué)天線系統(tǒng)光軸偏離的仿真理論模型。對(duì)光學(xué)天線傳輸效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果為59.38％。對(duì)其小于理論設(shè)計(jì)值65％的原因進(jìn)行了誤差分析。對(duì)光通信系統(tǒng)中的一種新型三維高密信息存儲(chǔ)單元技術(shù)進(jìn)行了研究。 建立了仿真軟件對(duì)光通信系統(tǒng)中光學(xué)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工實(shí)現(xiàn)、對(duì)光學(xué)平臺(tái)的聚焦光斑和視場(chǎng)角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。所有測(cè)試結(jié)果表明該光學(xué)平臺(tái)