[發(fā)明專利]一種產生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104536150B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設計）人: 江萍;楊華軍;毛盛乾
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于光通信技術領域，具體為一種半導體激光器出射光束的準直與整形光學系統(tǒng)，產生高精度準直空心激光束。

背景技術

隨著科學技術的發(fā)展，人們對通信容量的需求越來越高。光通信具有微小的光束發(fā)散角和高的方向性(因而具有較高的軍事保密性)、速率高、傳輸容量大(比微波通信高3～5個數(shù)量級)、重量輕等優(yōu)點，己逐漸成為國際化的研究熱點。光學天線作為光通信技術領域的關鍵性發(fā)射、接收部件存在高精度準直和次鏡中心能量損耗兩個關鍵技術問題。因此高精度預準直與整形技術是確保實現(xiàn)遠距離空間激光通信的關鍵技術，也是提高捕獲、對準與跟蹤(APT)精度的重要保證。

半導體激光器是光通信系統(tǒng)普遍使用的激光源，其有源區(qū)類似于一個矩形平面介質波導，在傳播時容易發(fā)散，其出射光束橫截面具有橢圓形狀。半導體激光器在垂直于結平面(即快軸)的典型發(fā)散角(半角)一般在0°～30°范圍內變化，平行于結平面(慢軸)方向上的發(fā)散角在0°～10°范圍內變化。發(fā)散角越小，方向性越好。為了使半導體激光器輸出的高斯光束能夠高質量、高效率地進入光學天線傳輸，需要對半導體激光器的輸出光束進行整形，壓縮光束發(fā)散角以改善遠場對稱性和光斑形狀。若輸出光束為高精度準直的空心激光束，既可提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的發(fā)射精度，又可有效避免天線次鏡中心反射所造成的能量損失。因此對半導體激光器出射光束進行高精度準直與整形對于遠距離激光通信系統(tǒng)具有重要的意義。

2000年牛津大學在“Nature”雜志上報到了用三維全息法制作可見光波段的光子晶體，其自準直特性可以突破光的衍射極限。2012年，中科院半導體所鄭婉華研究組在傳統(tǒng)半導體激光器諧振腔結構中引入光子晶體，調控激光振蕩模式，從芯片層次改善激光的輸出光束質量，首次在國際上研制出905nm波段的高光束質量光子晶體激光器，激光輸出遠場呈近圓斑分布，快軸發(fā)散角6.5°，慢軸發(fā)散角7.1°。2013年，濟南大學師生在“Optics Letter”上發(fā)表了在光纖端面制作雙軸雙曲面微透鏡將半導體激光器的快、慢軸發(fā)散角分別壓縮至6.9和32.3mrad，耦合至光纖中，耦合效率提高至80％。上述半導體激光器預準直方法所采用的光學系統(tǒng)，任不能從根本上改變半導體激光器非對稱發(fā)散角特性，且難以改善光通信天線次鏡中心部分反射造成的能量損耗，從而一定程度限制了光學天線的發(fā)射精度和傳輸效率。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的不足，提出一種產生高精度準直空心光束的新方法，將半導體激光器出射的非對稱發(fā)散激光束準直整形為圓形截面的空心激光束，實現(xiàn)半導體激光束到卡塞格倫光學天線的高效耦合，有效避免天線次鏡中心反射造成的能量損失，而準直發(fā)散角接近衍射極限的高功率激光傳輸，有效確保遠距離空間光通信的實現(xiàn)。

本發(fā)明采用的技術方案可分如下兩方面概括：一方面，高精度準直與整形光學系統(tǒng)對半導體激光器出射的非對稱發(fā)散高斯光束的準直與整形；另一方面，空心光束整形光學系統(tǒng)將準直光束進一步整形為空心光束。該系統(tǒng)應用于光通信系統(tǒng)中的卡塞格倫天線，可有效避免天線次鏡中心反射所造成的能量損失，從而提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的發(fā)射精度和傳輸效率。

本發(fā)明中的高精度準直與整形光學系統(tǒng)，主要由一個旋轉雙曲面平凸透鏡和三棱鏡組構成；旋轉雙曲面透鏡將半導體激光器出射的非對稱發(fā)散角特性的高斯激光束準直為橢圓截面的高精度準直激光束。三棱鏡組將準直后的橢圓截面準直光束整形為與光學系統(tǒng)主光軸同軸的圓形截面準直光束。

本發(fā)明中的空心光束整形光學系統(tǒng)，由一對軸棱錐構成，兩個對稱軸棱錐的底面相重合，并與光學系統(tǒng)的主光軸同軸。入射的圓形截面準直激光束經過空心光束整形光學系統(tǒng)后被整形為圓環(huán)形截面的空心光束，由于兩個對稱軸棱錐的結構相同，出射的空心光束仍為高精度準直激光束。

本發(fā)明中采用的光學系統(tǒng)設計方法是基于矢量折射理論，建立各三維折射面與三維矢量光線模型，利用MATLAB程序對光學系統(tǒng)結構進行最優(yōu)設計，對光線在光學系統(tǒng)中的空間傳輸進行三維追跡，獲得像質評價參數(shù)，具體包括：1)出射光束三維空間發(fā)散角；2)點列圖，即接收平面的光斑分布；3)能量均勻度，即接收平面內的三維能量分布；4)像質評估曲線，即球差、像散、場曲等像差曲線，包括由于各光學元件偏軸所產生的彗差曲線等。

附圖說明

圖1為半導體激光器出射光束非對稱發(fā)散角特性示意圖。

圖2為本發(fā)明一種產生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)的結構框圖。

圖3為本發(fā)明一種實施例的高精度準直與整形光學系統(tǒng)結構示意圖。