CO2大气激光通信机发射系统的设计
2018-12-18李广进石阳
李广进 石阳
摘 要 阐述了地对空激光发射机中激光器、光学透镜、调制器和发射天线等主要光学器件的设计方法,文中设计的发射机已开通户外试验,基本达到设计要求。
关键词 大气激光通信 声光调制器 卡塞格伦天线
中图分类号:TN929.12 文献标识码:A
0引言
近年来随着激光器件和光电探测器件的日益完善,大气激光通信的研究又形成了新的高潮。本文设计的发射系统由激光器、聚焦透镜、准直透镜和发射天线等组成,整机的通信距离:地对空大于15km,可传输图像和语音,全双工通信,误码率小于10-9。
1激光发射机关键器件的选择
1.1激光器的选择
10.6 m的CO2激光器因其效率高、光束质量好,功率范围大,既能连续输出又能脉冲输出,大气传输衰减小(大气窗口)等特点,成为本系统的首选光源。激光器采用共焦腔结构,腔长30cm,焦距150mm,输出功率9W。由于气体激光器发出的光束是典型的高斯光束,可计算出激光器的束腰半径 0和发散角 0分别为:
其中为激光波长,为焦距。=10.6 m ; =150mm
1.2聚焦透镜的分析
CO2激光器直接输出的激光束发散角和束腰半径分别为 0=9.5mrad, 0=0.7mm,这就须要采用聚焦透镜。本系统采用GaAs薄透镜,薄透镜对高斯光束变换矩阵为:
式中为薄透镜焦距,分别为物距和像距。根据ABCD定律中高斯光束成像变换条件式:
式中Z01为共焦参数,要求下式成立:
可推导出:
式中 01, 02分别为入射、出射高斯光束的束腰半径。代入已知条件可求得聚焦透镜的参数为:
1. 3发射天线设计
光学天线要求具有高增益、低遮挡率、高透射率、低散射光以及材料热膨胀系数小、机械强度高、重量轻和使用寿命长等。为满足地对空作用距离大15公里全双工激光通信的设计要求,我们选择反射式卡塞格伦天线,天线的主要参数见表1。
Table1. Major specifications of maksutov-cassegrain antenna
根據使用要求,设计系统光学天线时应重点考虑天线的尺寸及增益。由于发射源选用CO2激光器,光源电场强度满足高斯幅度分布,即:
式中 为束腰半径,R为曲率半径。利用菲涅尔辐射定律和天线增益定义,得到观测点(r, )处的天线增益值为:
式中 = / , =(k 2/2)[(1/r)+(1/R)], =b/ ,X=k sin 。
通过上述公式及表1的数据可分析和计算出激光束经发射天线后的光束发散角为0.04mrad,束腰半径为168.8mm,投射到副反射镜上的光斑尺寸 (z)为463mm,当地对空作用Z=15km时,发射天线的增益和效率分别为:
式中D为发射天线主反射镜孔径,D=254mm。
2结论
目前国内对激光大气通信机的研究主要集中于较短地面站之间,卫星之间的激光链路正处于预研阶段,地面站与空中移动目标间的激光通信具有一定的新颖性。
参考文献
[1] 葛林,唐明光.光空间通信中几个问题的探讨[J].光通信技术,1998,22(02): 86-91.