基于离轴自由曲面的激光通信光学天线设计

为了提高空间激光通信系统的工作范围,简化光学系统的结构,提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构,无需再使用准直透镜元件,可以极大地简化系统结构,克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先,基于三级像差理论,推导了两镜无焦系统的消像差公式,并对求解结果进行了分析总结。然后,根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线,该系统的有效通光口径为100 mm,放大倍率为5倍,波段为500～1 100 nm,全视场角为0.6°,主镜为凹抛物面的一部分,次镜采用XY多项式表征的自由曲面,并用MATLAB对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明,光学系统全视场的波像差优于λ/14(λ=500 nm),斯托列尔比大于0.8,系统能量集中度较高,像质接近衍射极限,光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此,该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。     

空间激光通信组网光学原理研究

随着高分辨率观测技术的发展和高数据率信息传输的迫切需求,研究高速率激光通信的组网技术迫在眉睫.分析了空间激光通信链路组网所需要满足的基本要求及其实现中必须解决的技术难点,提出了组网光学原理,同时研究了一种可用于多目标间同时进行激光通信的技术方案,设计了以旋转抛物面为基底的多反射镜拼接结构的光学天线、中继光学系统以及发射接收与捕获、跟踪和对准(APT)系统,为空间激光通信链路组网提供了新的技术途径.     

能量收发效率对共焦点反射式光通信组网天线系统性能的影响

激光通信组网天线系统能量发射效率与接收效率的高低决定了其通信能力的强弱。针对这一问题,提出了一种新型组网天线系统基本模型,分析其能量发射效率与接收效率的算法并进行数学建模,推导出了其能量发射效率与接收效率的计算公式,深入讨论了能量发射效率和能量接收效率与旋转抛物面上下开口直径、焦距以及会聚透镜单元口径、焦距等光学结构参数的准确函数关系,相关结论可应用于激光通信组网天线光学结构的设计与优化。最后以三颗低地球轨道(LEO)卫星在距离1000km范围内、以高于2.5Gb/s的速率进行组网通信为背景,通过分析和计算得出满足通信条件的激光器最小发射功率、组网天线系统的发射效率随跟踪通信角度的变化曲线以及接收效率。     

大视场反射式激光扩束系统光学设计

激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失。为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为4840的小型扩束系统。系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1（=632.8 nm）,且无中心遮拦。通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为9010060 mm3,波像差最大为0.095,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92%,满足透过率大于85%的设计要求。     

便携多表面反射式望远系统光学设计

为了减小手持双目望远系统的体积与质量,在单片多表面光学系统原理的基础上,建立了单片多表面望远系统的模型,构建了中心厚度与遮拦比的关系表达式,通过计算得到了系统的初始结构,并进一步优化出一款便携多表面反射式望远系统.该望远系统由单片透镜组成,光线在透镜中发生4次反射,各反射面均为偶次非球面.系统的工作波段为可见光,放大倍...     

对比激光辐射:纳米光学天线新进展

美国伯克利实验室的研究人员研发出一种纳米光学天线,可极大增强原子、分子和半导体量子点的自发辐射。该进展为发光二极管在短距光通信,包括光学互连芯片和其他潜在应用方面取代激光器开启了大门。伯克利实验室材料科学分部的电气工程师Eli Yablonovi说:与受激光辐射相比,自发光辐     

多点激光通信光学中继天线伺服系统

一对多激光通信网络通过基于旋转抛物面原理的伺服摆镜天线,对多点光端机的激光信号进行捕获、跟踪、通信,形成空间激光通信网络。论述了该伺服天线系统的基本原理、架构、跟踪算法与拼接技术,证明了旋转抛物面天线的形成原理,给出了伺服摆镜天线的可行性分析。介绍了跟踪系统的闭环架构,分别阐述了敏感器、执行器、控制器的组成及指标。给出用于光斑跟踪的带执行器限位的比例积分微分(PID)算法及调试方法。为了实现连续跟踪,引入多反射镜拼接技术,着重说明了反射镜拼接的实现方法。整个伺服天线系统以执行范围、跟踪精度、拼接可靠性为测试内容,最终实现了360°全向执行,小于50 mrad跟踪误差和室内原理实验拼接成功率大于90%的技术指标,有效地保证了激光通信网络体系的正常运行。     

对比激光辐射:纳米光学天线新进展CSCD

美国伯克利实验室的研究人员研发出一种纳米光学天线,可极大增强原子、分子和半导体量子点的自发辐射。该进展为发光二极管在短距光通信,包括光学互连芯片和其他潜在应用方面取代激光器开启了大门。     

小型光学天线系统光传输特性测试平台研究

利用牛顿反射式光学天线对接系统构建了光传输测试平台,重点研究了高精度准直,牛顿反射式光学天线及其光传输特性等主要内容;得到了激光632.8 nm波长的天线效率、天线耦合效率和光纤耦合岀射三维光斑测试结果与仿真验证.为实际研究大气激光通信系统中光学天线光传输特性提供了实验依据.     

空间激光冷却原子集成光学平台设计

介绍了一种基于空间冷原子铷钟的激光冷却光学平台设计。该平台是我国以空间工程应用为目标而研制的激光冷却原子光学平台,能够为空间冷原子钟提供5路连续单模稳频激光,用于冷原子的制备、操控、选态和探测。该平台采用分布布拉格反射(DBR)激光器作为87Rb原子激光冷却光源,所有光机组件通过小型化、模块化设计集成在一块300 mm×290 mm×10 mm的铝基碳化硅基板上,通过力学仿真分析优化结构设计、热仿真分析优化基板热设计,使该平台满足航天设备设计要求。经过地面严格的环模实验测试,证明该光学平台同时具备高精度、高稳定性和高可靠性,可长时间稳定工作而无需人工调节,可广泛应用于各种需要激光冷却操控原子技术的科学研究和工程项目。     

空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术

为提高光学天线能量利用效率,实现空间激光通信组网,本文对反射镜联动跟踪控制技术展开研究。首先,阐述了系统组成原理,详细论述了基于单探测器多执行器的反射镜联动跟踪控制策略。接着,通过分析激光链路能量,得到了联动跟踪约束条件及误差要求。然后,建立了双反射镜联动跟踪数学模型,对伺服控制器进行仿真。最后,搭建原理样机对跟踪性能进行测试。实验结果表明,系统能够对目标进行稳定跟踪,跟踪脱靶量精度优于83μrad,双镜联动精度优于26μrad,系统接收光功率显著提高。本文研究为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。     

空间激光通信组网从光端机控制技术研究

为提高空间激光通信效率,实现空间激光通信组网,对激光通信组网从光端机控制技术进行研究.首先,阐述空间激光通信组网"一对四"系统原理,并分析从光端机控制方式;然后,对从光端机捷联控制技术建立数学模型并设计非线性跟踪微分器,对从光端机的方位轴进行MATLAB仿真分析;最后,搭建组网通信系统,对从光端机进行实验.实验结果表明...     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。     

星间激光通信终端光学天线的隔离度

为满足星间激光通信对高隔离水平光学天线的要求,实现对光学天线隔离度的仿真分析和优化,提出了一种将红外系统冷反射的特征控制量YNI值作为衡量光学元件表面后向反射能量强度,并控制光学天线优化以提高隔离度水平的方法。在Light Tools软件中为某激光通信终端的卡塞格林天线创建了实体模型,通过仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX软件中以增大各元件表面的YNI值为目标优化天线结构。对比优化前后的结果,系统的后向反射率从3.068 8×10~(-4)减小到1.075 5×10~(-5),隔离度从-35.13 d B减小到-49.68 d B。优化后的卡塞格林天线具备较高的隔离度水平,可用于星间激光通信。     

空间激光通信组网中旋转抛物面基底面型研究

旋转抛物面型多反射镜拼接结构的天线在空间激光多点间激光通信中有着重要的应用。选取不同的旋转抛物面基底面型,系统有不同的通信范围。针对作为基底的旋转抛物面面型进行研究,讨论了不同抛物线系数p与通信范围θ之间的关系,分析了不同有效口径下的通信范围,及其合理性。结果表明,在合理的取值范围下,抛物线系数p=28时,最大通信角度可以达到118.7377°,但由于后续拼接反射镜的因素限制,得出合理选择抛物线系数p=50时的面型,而此时通信范围为109.8084°。     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

激光多模式毛细管电泳检测器的光学设计及优化

提出一种基于毛细管电泳的激光多模式检测器.为设计并优化其光路构型,进行了理论分析和数学推导,并采用Matlab仿真,得到光路中各参量优化取值范围.在热透镜通道,激发光束腰半径越小,则热透镜效应越强.而探测激光束腰半径、束腰与样品距离、样品与探测面距离三个参量综合决定检出信号强度;在回射干涉通道,聚焦透镜焦距应较短,它与毛细管距离对检测影响很大,而与激光器、与探测面的两距离对检测影响相对较小;热透镜效应对回射干涉检测影响不明显,如要严格消除,可将两通道错开一适当距离.     

反射式内掩日冕仪的光学设计与杂散光分析

日冕仪的工作特点决定了其对杂散光抑制要求极其严格。根据反射式日冕仪的工作特点,通过分析其光学特性以及其抑制系统杂散光的基本原理,设计了反射式内掩日冕仪系统。其中,视场0.67°、口径47mm、焦距768mm、系统总长1200mm,系统在30lp/mm处的MTF值大于0.6,弥散斑半径小于2.5um,成像质量达到衍射极限。通过分析系统杂散光特点,建立了消杂散光结构,使得系统的主要杂散光源被全部抑制。本系统可做到大约10-6-10-8B⊙的杂散光抑制水平,可以实现对日冕的清晰成像观测。     

激光LCOS光学引擎的设计

通过选择适当的光学材料,并且将它们合理地安排在一起,设计完成了激光LCOS投影机的光学引擎。光学组件包含3块LCOS面板和三基色的激光光源。在光学设计中使用光学软件ZEMAX对光学引擎进行了优化。设计的光学引擎证实了激光LCOS显示的高效率和均匀性,并且所有指标都满足激光LCOS显示的要求。