[發明專利]一種新型菲涅耳光學天線發射系統

有效

• 申請號: 201610037807.1
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105629449B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 江萍;楊華軍;李軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B17/08
• 分類號: G02B17/08;G02B27/00;H01Q19/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光通信技術領域，具體為一種新型菲涅耳光學天線發射系統。

背景技術

光學天線系統的主要作用為激光束擴束和進一步壓縮發散角。光學天線是光通信技術領域的關鍵性發射、接收子系統，高精度的準直技術與高傳輸效率是光學天線系統能夠實現遠距離傳輸、高跟蹤精度的重要保證。

空間光通信通常涉及多波長傳輸，廣泛使用無色差的反射式系統(卡塞格倫型望遠鏡)作為發射和接收天線，由于激光高斯光束在軸向傳輸過程中的大量能量匯集在中心(光)軸上，天線次鏡中心部分反射至主鏡圓孔內的能量將無法傳輸，存在著較大的中心能量損失，因此對遠距離空間光通信系統的能量傳輸造成極大的影響。

NASA飛行研究中心早在1974年就進行了光通信傳輸光學天線增益研究。2006年，日本東京國家通信技術研究所對高速光通信光學天線傳輸效率進行了研究。近年來法國開展了新一代光子雷達天線研究，法國國防部研究的新一代光子帶隙(PBG：photonic band gap)拋物狀的天線結構可以極大提高天線的發射效率。2008年，Eberhard Karls University Tubingen應用物理研究中心，在APL刊物上發表了關于三維光學天線在近場顯微鏡中的應用研究成果。2010年，University of Southern California的Los Angeles提出了一種基于光子晶體帶隙的新型結構光學天線。2013年，美國科學家對高指向增益的混合結構光學天線進行了研究。

波帶片是一種重要的衍射光學器件，由Lord Rayleigh于1871年首次制作成功。1898年，Wood開展了波帶片在可見光照射下的研究工作，揭開了波帶片作為一類新型光學器件在光學領域的新篇章。1961年，Baez提出菲涅耳波帶片可作為極紫外輻射到軟X射線這一波段的成像元件，激起了人們對波帶片的廣泛重視。1972年，Rogers所在小組報道了菲涅耳波帶片在伽馬射線成像方面的研究成果。1980年，Kearney等人利用波帶片對中子實現了聚焦和成像。1991年，Takuma實現了菲涅耳波帶片對激發態He原子的聚焦。1999年，Doak的研究小組實現了菲涅耳波帶片對基態He原子的聚焦。近年來，由于在軟X射線顯微成像技術方面的應用引人矚目，波帶片成為了一個研究熱點。Maser,Schneider和Schmahl采用耦合波分析法對波帶片的衍射場分布作了數學逼近，數值解表明應用改善效率的較高衍射級將提高其成像分辨率。

將菲涅耳波帶片與光學天線相結合，利用菲涅耳波帶片的聚焦特性，使其取代傳統的聚焦透鏡。利用其衍射特性產生暗中空光束，可有效避天線次鏡中心部分反射存在的能量損失。

發明內容

本發明針對現有光學天線存在的不足，解決天線次鏡中心能量損耗的關鍵技術問題，給出了一種新型菲涅耳光學天線發射系統結構。該光學天線發射系統主要由菲涅耳波帶片和卡塞格倫天線構成，可有效提高光通信發射天線的傳輸效率，且易于實現光通信發射系統的小型集成化。

本發明采用的技術方案可分如下兩方面概括：一方面，對產生暗中空光束的菲涅耳波帶片進行設計；另一方面，將菲涅耳波帶片應用到卡塞格倫天線系統中，形成接近衍射極限的高精度準直激光束，有效提高光通信發射天線系統的發射精度和傳輸效率。

本發明中的菲涅耳波帶片設計是基于基爾霍夫衍射理論，圓形菲涅耳波帶片由透光和不透過的波帶相間組成，固定在天線拋物面主鏡的中心圓孔內，對入射平面波進行聚焦，主焦點與旋轉雙曲面次鏡的左焦點重合。基于平面屏幕衍射的基爾霍夫理論，分析菲涅耳波帶片在平面光垂直入射情況下的會聚性能與離焦衍射光強分布，確定最佳的波帶片參數，使天線次鏡處的光斑中心為暗斑。

本發明中的光學天線發射系統的設計是基于矢量反射定理，建立三維天線反射面與矢量光線模型，利用MATLAB程序對光線在天線中的空間傳輸進行三維追跡，對天線結構進行優化設計，得到最佳的光束準直效果和空心比。

附圖說明

圖1為本發明一種新型菲涅耳光學天線發射系統結構圖。

圖2為平面波照射圓形菲涅耳光波帶片原理圖。

圖3為本發明一種實施例的1550nm菲涅耳波帶片結構仿真圖。

圖4為本發明實施例的菲涅耳波帶片離焦衍射光強計算原理圖。

圖5為本發明一種實施例的菲涅耳光學天線發射系統的子午面內光束傳輸仿真圖。

圖6為本發明一種實施例的菲涅耳光學天線發射系統的弧矢面內光束傳輸仿真圖。