CO2大氣激光通信機(jī)發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李廣進(jìn)　石陽(yáng)

摘 要 闡述了地對(duì)空激光發(fā)射機(jī)中激光器、光學(xué)透鏡、調(diào)制器和發(fā)射天線等主要光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方法，文中設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)已開(kāi)通戶外試驗(yàn)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 大氣激光通信 聲光調(diào)制器 卡塞格倫天線

中圖分類號(hào)：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

近年來(lái)隨著激光器件和光電探測(cè)器件的日益完善，大氣激光通信的研究又形成了新的高潮。本文設(shè)計(jì)的發(fā)射系統(tǒng)由激光器、聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡和發(fā)射天線等組成，整機(jī)的通信距離：地對(duì)空大于15km，可傳輸圖像和語(yǔ)音，全雙工通信，誤碼率小于10-9。

1激光發(fā)射機(jī)關(guān)鍵器件的選擇

1.1激光器的選擇

10.6 m的CO2激光器因其效率高、光束質(zhì)量好，功率范圍大，既能連續(xù)輸出又能脈沖輸出，大氣傳輸衰減小（大氣窗口）等特點(diǎn)，成為本系統(tǒng)的首選光源。激光器采用共焦腔結(jié)構(gòu)，腔長(zhǎng)30cm，焦距150mm，輸出功率9W。由于氣體激光器發(fā)出的光束是典型的高斯光束，可計(jì)算出激光器的束腰半徑 0和發(fā)散角 0分別為：

其中為激光波長(zhǎng)，為焦距。=10.6 m ； =150mm

1.2聚焦透鏡的分析

CO2激光器直接輸出的激光束發(fā)散角和束腰半徑分別為 0=9.5mrad， 0=0.7mm，這就須要采用聚焦透鏡。本系統(tǒng)采用GaAs薄透鏡，薄透鏡對(duì)高斯光束變換矩陣為：

式中為薄透鏡焦距，分別為物距和像距。根據(jù)ABCD定律中高斯光束成像變換條件式：

式中Z01為共焦參數(shù)，要求下式成立：

可推導(dǎo)出：

式中 01， 02分別為入射、出射高斯光束的束腰半徑。代入已知條件可求得聚焦透鏡的參數(shù)為：

1. 3發(fā)射天線設(shè)計(jì)

光學(xué)天線要求具有高增益、低遮擋率、高透射率、低散射光以及材料熱膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕和使用壽命長(zhǎng)等。為滿足地對(duì)空作用距離大15公里全雙工激光通信的設(shè)計(jì)要求，我們選擇反射式卡塞格倫天線，天線的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

Table1. Major specifications of maksutov-cassegrain antenna

根據(jù)使用要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)光學(xué)天線時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮天線的尺寸及增益。由于發(fā)射源選用CO2激光器，光源電場(chǎng)強(qiáng)度滿足高斯幅度分布，即：

式中 為束腰半徑，R為曲率半徑。利用菲涅爾輻射定律和天線增益定義，得到觀測(cè)點(diǎn)（r， ）處的天線增益值為：

式中 = / ， =（k 2/2）[（1/r）+（1/R）]， =b/ ，X=k sin 。

通過(guò)上述公式及表1的數(shù)據(jù)可分析和計(jì)算出激光束經(jīng)發(fā)射天線后的光束發(fā)散角為0.04mrad，束腰半徑為168.8mm，投射到副反射鏡上的光斑尺寸 （z）為463mm，當(dāng)?shù)貙?duì)空作用Z=15km時(shí)，發(fā)射天線的增益和效率分別為：

式中D為發(fā)射天線主反射鏡孔徑，D=254mm。

2結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)對(duì)激光大氣通信機(jī)的研究主要集中于較短地面站之間，衛(wèi)星之間的激光鏈路正處于預(yù)研階段，地面站與空中移動(dòng)目標(biāo)間的激光通信具有一定的新穎性。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛林，唐明光.光空間通信中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].光通信技術(shù)，1998，22（02）： 86-91.