衛(wèi)星光通信中衍射光學技術的應用研究.pdf

1、衛(wèi)星光通信以激光作為信息的載體在衛(wèi)星間和衛(wèi)星與地面間建立高速、迅捷的信息通道，是光通信技術在衛(wèi)星應用領域的拓展，也是現(xiàn)代衛(wèi)星通信領域的重要研究方向。隨著衛(wèi)星平臺技術的發(fā)展特別是小衛(wèi)星技術的發(fā)展，對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的體積、重量和功耗提出了更嚴格的要求。在終端中采用衍射光學技術，可實現(xiàn)傳統(tǒng)光學系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的功能，從而極大降低終端體積、重量和功耗。目前衍射光學已經(jīng)成為現(xiàn)代光學技術的一個重要分支，衍射光學器件及折衍射混合光學器件已經(jīng)成為現(xiàn)代光學

2、系統(tǒng)重要組成部分。從目前已發(fā)表的文獻分析，以衛(wèi)星光通信的應用為需求背景，進行衍射光學技術的研究還鮮有報道。本文以此為研究目標，對應用于衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的衍射光學器件的設計和應用進行理論及仿真實驗研究，為衛(wèi)星光通信系統(tǒng)新技術的發(fā)展奠定基礎。論文首先對當前的研究現(xiàn)狀進行分析，包括衛(wèi)星光通信的研究現(xiàn)狀及衍射光學元件在衛(wèi)星光通信中的應用。然后由麥克斯韋方程和波動方程出發(fā)，對光束衍射傳播的基本理論進行了介紹，包括光束傳播算法及其矢量推廣、標量衍射

3、理論和逆衍射變換等。在此基礎上開展本文研究工作，其主要內容包括以下幾個方面。
　　1.亞波長離軸二元光學元件（DOE）的設計方法的研究衛(wèi)星光通信的應用背景往往要求光學元件具有大孔徑和短焦距的特點，這種要求會導致所設計DOE的特征寬度處于或小于波長量級（亞波長）。并且對光通信系統(tǒng)而言，也常涉及多波長和離軸聚焦的情況。亞波長DOE的設計方法仍然是當前研究的熱點。本文工作是針對亞波長和離軸衍射DOE元件設計方法進行研究，包括DOE角色散

4、及熱特性的理論研究、零階等效介質理論、DOE的優(yōu)化算法等。DOE角色散及熱特性理論研究是基于標量衍射理論，利用器件二元化方程分析最終得到了衍射光學元件色散特性和角色散的溫度變化特性的統(tǒng)一理論描述。利用零階等效介質理論可以根據(jù)幾何光學所得到的初始相位，確定亞波長 DOE的輪廓初始值。瑞利-索末菲衍射理論（Rayleigh Sommerfield Diffraction，RS）是由不采取旁軸近似對標量波動方程嚴格解，可對大口徑、短焦距和離軸

5、衍射傳播進行準確描述。因此利用RS算子迭代算法對衍射光學元件進行優(yōu)化設計不必進行旁軸近似，算法的適應面更廣。將矢量光束傳播算法（Vectoral Beam Propagation Method，BPM）同RS衍射算子相結合可以對亞波長衍射光學元件的光學特性進行快速和準確的計算和仿真，為隨機搜索優(yōu)化提供了可能性。本文給出RS算子迭代算法和矢量BPM搜索算法。為了驗證算法的可行性，對二元相位的亞波長DOE光束整形進行了設計。計算結果驗證算法

6、是可行的。
　　2.波分復用DOE器件設計和研制為了拓展衛(wèi)星光通信的數(shù)據(jù)傳輸容量，利用DOE實現(xiàn)了衛(wèi)星光通信中的波分復用器件。根據(jù)本文所提出的DOE角色散特性理論確定了優(yōu)化的目標值，并利用幾何光學能量守恒原理計算了相位初始值，利用RS算子迭代算法設計了波分復用DOE（WDM-DOE）器件。WDM-DOE在一塊純相位的衍射光學元件上同時實現(xiàn)了對輸入光束的波長分離和聚焦功能。研制了WDM-DOE器件，并測試了衍射光斑的色散特性。測試結

7、果同理論設計一致。
　　3.復合光路DOE設計和仿真為了降低衛(wèi)星光通信終端中的光學系統(tǒng)結構復雜性，并簡化系統(tǒng)調節(jié)難度，本文提出一種將終端信標光路和信號光路進行整合的DOE器件。器件將信標光波長光束聚焦為環(huán)狀光斑用作四象限探測接收，將信號光波長光束聚焦為點狀光斑用作APD接收。器件同時將信標光路和信號光路進行整合的同時提高了光束的能量利用率。對器件在不同角度光束入射下的衍射效果進行了仿真，仿真結果表明器件在不同角度入射下衍射光斑無形

8、變，適于衛(wèi)星光通信應用。
　　4.Λ形光斑角探測技術研究衛(wèi)星光通信中，采用瞄準捕獲跟蹤系統(tǒng)進行鏈路的建立和保持是通信實現(xiàn)的先決條件，角度探測的精度和速度是鏈路建立保持系統(tǒng)的關鍵指標。為了提高角探測的速度，本文提出Λ形光斑角探測技術，并給出此種機制下的一維改進質心算法和實現(xiàn)聚焦Λ形光斑的DOE器件。此種角度探測機制利用DOE將輸入激光束聚焦為Λ形光斑，并采用一維線陣CCD對二維角度偏轉進行了探測。利用Λ形光斑角探測技術，在不損失探測