卫星激光通信中的激光准直技术研究

论文摘要

卫星光通信技术比射频(RF)技术具有诸多优势以及巨大的发展潜力,将成为实现星间数据传输的高速干线链路的最重要手段之一。由于半导体激光具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可直接进行高速调制等优点,成为卫星激光通信终端光源的首选。因半导体激光器的发散角很大,且快轴与慢轴的发散角不同,同时还存在像散的问题,在实际应用中需要对其发散角进行大比例的压缩,尤其是快轴方向(成百上千倍),并需解决像散的问题。由于发散角大,为了有效利用激光器的输出光功率,需要大数值孔径的准直镜,但一般球面镜的数值孔径又不可能做得很大。因此,为适用工程需要,本文提出使用两个非圆柱镜对半导体激光器快轴和慢轴分别进行准直,以实现发散角为几十个微弧度的准直波束,并以圆形光斑输出,同时解决了像散问题。为此,推导了三种非圆柱准直镜的面型方程,并用数学或数值计算的方法对其准直性能进行了证明。同时,从几个方面比较了这三种准直镜的加工难易程度,提出了准直镜以使用类椭圆柱镜或变形椭圆柱镜为好的结论。本文对于高斯光束通过限孔径的传输进行了分析,得出了在中继光路中的孔径应大于通过光束的3倍,以保证其对高斯光束的影响可以忽略。为了保证光功率的有效利用,在输出端口,存在着最佳光束腰斑与光天线口径之比,对于无孔径遮拦的系统,这个最佳值为0.892。当遮拦为20%时,最佳值为0.72。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 卫星激光通信是卫星高速通信发展的趋势
• 1.2 卫星激光通信的光源选择
• 1.3 卫星激光通信对激光准直的要求
• 1.4 论文内容及工作安排
• 第二章 研究的目的及意义
• 2.1 半导体激光器机理简单回顾
• 2.1.1 LD的基本结构
• 2.1.2 LD的基本特性
• 2.1.3 LD激光的产生机理
• 2.2 半导体激光器波束特性
• 2.2.1 空间模式
• 2.2.2 半导体激光器的光束发散角
• 2.2.3 半导体激光器的像散
• 2.3 研究的目的
• 2.4 目前半导体激光器准直的现状
• 2.5 目前准直尚需研究的问题及本研究的意义
• 第三章 半导体激光器准直技术
• 3.1 准直可采用的方法概述
• 3.2 各种方法初步比较
• 3.3 预准直方案研究
• 3.3.1 方案一
• 3.3.2 方案二
• 3.3.3 方案三
• 3.3.4 三种方案的比较
• 3.3.5 像散和光束圆化问题的解决
• 3.4 本章小结
• 第四章 其它与准直有关的问题
• 4.1 望远镜准直研究
• 4.1.1 单透镜准直
• 4.1.2 望远镜准直
• 4.2 望远镜的口径选择
• 4.2.1 高斯光束通过圆形孔径的衍射特性
• 4.2.2 腰斑与孔径比对发散角的影响
• 4.2.3 腰斑与孔径比对远场波束的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 初步实验
• 5.1 实验简介
• 5.2 实验说明和初步结论
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献