專利名稱：無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及空間激光通信、空間激光雷達和空間激光武器等領域，特別是一種激光光束在自由空間遠距離傳輸模擬的裝置，主要用于空間激光應用系統激光發射波面在遠場特性的模擬和檢驗。
背景技術：
空間激光應用系統，包括空間激光通信、空間激光雷達和空間激光武器等，都對激光的發射波面有著非常高的要求，這是因為發射終端和目標之間的距離都很遠，屬于空間遠場的范疇，所以其遠場分布情況是整個系統性能中需要重點關注的。對于空間激光通信而言，遠場分布情況直接決定了激光通信鏈路的性能，最終影響通信誤碼率；對于空間激光雷達而言，不僅會影響照明區域的強度分布，還會影響圖像重建的質量；而對空間激光武器系統的影響就更為直接，遠場的分布和激光武器的打擊效果密切相關。但由于空間激光應用系統的作用距離為數百至數萬公里，也不可能在空間在軌直接完成其遠場分布的性能檢測和驗證，所以必須在地面實驗室內搭建一套模擬系統用來模擬真實的在軌應用環境，在此基礎上進行空間激光應用系統性能的檢測驗證。目前，國內和國外對于自由空間遠距離激光光束傳輸模擬基本都采用傅立葉變換物鏡將發射終端的近場波面轉化為其焦面上縮小的遠場分布，然后采用成像放大和等比縮放的原理模擬幾千公里至十幾萬公里的自由空間光束傳輸，這種方案可以準確的模擬出遠場的強度分布圖樣，但是其波面和實際的遠場分布不同，這對于空間相干激光通信和合成孔徑激光成像雷達是不行的。后來中科院上海光機所等人提出了改進的模擬方案，即采用 4_f成像放大系統代替之前的單透鏡成像放大，這樣可以有效的消除波面的畸變，但是系統的復雜度相對較高，實際裝校比較困難。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置，以解決在實驗室有限的空間內模擬激光在自由空間遠距離傳輸的技術效果。應用于空間激光應用系統，包括空間激光通信、空間激光雷達和空間激光武器等領域，激光發射波面在遠場特性的模擬和檢驗，對于空間激光應用系統的研制和發展具有很大的應用價值。本發明的技術構思是激光光束遠距離傳輸有兩個重要特性，一是遠場的強度分布，二是遠場的波面分布。本發明采用傅立葉變換物鏡將近場激光發射波面在其焦平面上轉化為縮小的遠場分布，然后采用單透鏡成像放大系統將縮小的遠場分布進行放大，采用帶可調衰減器的單模保偏光纖進行小孔采樣，模擬自由空間遠距離傳輸的強度分布，然后采用準直平行光管將保偏光纖輸出的點光源進行準直，模擬自由空間遠距離傳輸的遠場平面波，將光纖頭在焦平面上振動，以產生出射平面波的快速掃描，用來模擬運載平臺的振動情況。
本發明的技術解決方案如下—種無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置，特點在于其構成包括長焦距傅立葉透鏡、成像放大透鏡、可調衰減器的單模保偏光纖、光纖頭快速振動裝置和激光準直透鏡，其位置關系如下在第一被測激光通信終端和第二被測激光通信終端之間，沿光路方向依次是長焦距傅立葉透鏡、成像放大透鏡、可調衰減器的單模保偏光纖、光纖頭快速振動裝置和激光準直透鏡，所述的長焦距傅立葉透鏡的前焦面和第一被測激光通信終端的發射系統的出瞳面重合；所述的成像放大透鏡的放大倍率為M，該成像放大透鏡的物距就是長焦距傅立葉變換透鏡的后焦面離成像放大透鏡物方主面的距離，該成像放大透鏡的像平面和所述的可調衰減器的單模保偏光纖的輸入端面重合；該可調衰減器的單模保偏光纖的輸出端置于所述的光纖頭快速振動裝置上，在該光纖頭快速振動裝置的驅動電機的驅動下，帶動所述的可調衰減器的單模保偏光纖的輸出端的光纖頭快速振動，該可調衰減器的單模保偏光纖的輸出端面和所述的激光準直透鏡的前焦平面重合，經所述的激光準直透鏡輸出的平面波由所述的第二被測激光通信終端接收。所述的驅動電機為壓電陶瓷驅動器，或其它類型的快速驅動器。本發明的技術效果本發明無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置，利用光學傅立葉變換、光學成像放大器、小孔采樣、光強衰減和激光準直技術實現了光束的遠距離傳輸光強和相位分布的物理模擬，采用壓電陶瓷驅動器帶動輸出光纖頭在激光準直平行光管的前焦面內運動模擬接收激光通信終端運載平臺的振動。本發明可應用于衛星激光通信終端的鏈路通信性能和振動抑制性能的實驗室檢測，對于空間激光通信終端的研制和發展具有很大的應用價值。
圖1為本發明無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置實施例的光路示意圖。圖中1-長焦距傅立葉透鏡的前焦面，2-長焦距傅立葉透鏡，3-長焦距傅立葉變換透鏡的后焦面，4-成像放大透鏡，5-成像放大透鏡像平面，6-可調衰減器的單模保偏光纖，7-光纖頭快速振動裝置，8-激光準直透鏡焦平面，9-激光準直透鏡，10-第一被測終端， 11-第二被測終端。圖2為本發明光纖頭快速振動裝置示意圖。圖中12-光纖頭支架，13-底座，14-右固定螺釘，15-左固定螺釘，16-壓電陶瓷驅動器底座，17-下調整螺桿，18-左調整螺桿，19-光纖頭，20-上調整螺桿，21-右調整螺桿，22-壓電陶瓷驅動器。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發明無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置的實施例光路示意圖。由圖可見，本發明實施例無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置， 包括長焦距傅立葉透鏡2、成像放大透鏡4、可調衰減器的單模保偏光纖6、光纖頭快速振動裝置7和激光準直透鏡9，其位置關系如下在第一被測激光通信終端10和第二被測激光通信終端11之間，沿光路方向依次是長焦距傅立葉透鏡2、成像放大透鏡4、可調衰減器的單模保偏光纖6、光纖頭快速振動裝置7和激光準直透鏡9，所述的長焦距傅立葉透鏡2的前焦面1和第一被測激光通信終端10 的發射系統的出瞳面重合；所述的成像放大透鏡4的放大倍率為M,該成像放大透鏡4的物距就是長焦距傅立葉變換透鏡的后焦面3離成像放大透鏡4物方主面的距離，該成像放大透鏡的像平面5和所述的可調衰減器的單模保偏光纖6的輸入端面重合；該可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端置于所述的光纖頭快速振動裝置7上，在該光纖頭快速振動裝置 7的壓電陶瓷驅動器22的驅動下，帶動所述的可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端的光纖頭快速振動，該可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端面和所述的激光準直透鏡9的前焦平面8重合，經所述的激光準直透鏡9輸出的平面波由所述的第二被測激光通信終端11 接收。第一被測激光通信終端10出瞳位置的發射激光光束經過長焦距傅立葉透鏡2變換后，在長焦距傅立葉變換透鏡后焦面3處形成縮小的遠場分布，以此平面作為成像放大透鏡4的物平面3，經過成像放大透鏡4成像后，在成像放大透鏡的像平面5得到放大了的遠場光強度分布圖樣，但此時的遠場分布相位有附加的相位兩次項，經過可調衰減器的單模保偏光纖6的接收光纖頭耦合后，由于單模光纖天然的選模特性，只有和單模光纖匹配的模式才有可能在光纖中傳播，因此在可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端僅僅保留了遠場光強度分布的信息，附加的相位兩次項經過光纖耦合后已經去除掉，將可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端置于所述的激光準直透鏡9的前焦平面8上，經過激光準直透鏡9 準直后形成平面波，最后由第二被測激光通信終端11接收。另外，可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端通過光纖頭快速振動裝置7帶動快速振動，模擬衛星平臺的振動情況，圖2 為本發明光纖頭快速振動裝置7的結構示意圖。圖中12-光纖頭支架，13-底座，14-右固定螺釘，15-左固定螺釘，16-壓電陶瓷驅動器底座，17-下調整螺桿，18-左調整螺桿，19-光纖頭，20-上調整螺桿，21-右調整螺桿，22-壓電陶瓷驅動器。在所述的壓電陶瓷驅動器的驅動下，所述的可調衰減器的單模保偏光纖6的輸出端就產生振動，模擬衛星平臺的振動情況。假設第一被測激光通信終端10發射的光場為(x, y)，在空間實際條件下，光場傳輸幾千至幾萬公里后，其接收端的光場分布是發射端的夫瑯和費衍射
權利要求
1.一種無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置，特征在于其構成包括長焦距傅立葉透鏡O)、成像放大透鏡G)、可調衰減器的單模保偏光纖(6)、光纖頭快速振動裝置 (7)和激光準直透鏡(9)，其位置關系如下在第一被測激光通信終端(10)和第二被測激光通信終端(11)之間，沿光路方向依次是長焦距傅立葉透鏡O)、成像放大透鏡G)、可調衰減器的單模保偏光纖(6)、光纖頭快速振動裝置(7)和激光準直透鏡(9)，所述的長焦距傅立葉透鏡⑵的前焦面⑴和第一被測激光通信終端(10)的發射系統的出瞳面重合；所述的成像放大透鏡的放大倍率為M， 該成像放大透鏡(4)的物距就是長焦距傅立葉變換透鏡的后焦面(；3)離成像放大透鏡(4) 物方主面的距離，該成像放大透鏡的像平面( 和所述的可調衰減器的單模保偏光纖(6) 的輸入端面重合；該可調衰減器的單模保偏光纖(6)的輸出端置于所述的光纖頭快速振動裝置(7)上，在該光纖頭快速振動裝置(7)的驅動電機的驅動下，帶動所述的可調衰減器的單模保偏光纖(6)的輸出端的光纖頭快速振動，該可調衰減器的單模保偏光纖(6)的輸出端面和所述的激光準直透鏡(9)的前焦平面(8)重合，經所述的激光準直透鏡(9)輸出的平面波由所述的第二被測激光通信終端(11)接收。
2.根據權利要求1所述的無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸模擬裝置，其特征在于所述的驅動電機為壓電陶瓷驅動器，或其它類型的快速驅動器。
全文摘要
一種無波面畸變自由空間遠距離激光傳輸裝置，該裝置采用長焦距傅立葉透鏡實現光學傅立葉遠場變換、單級單透鏡成像放大、光纖采樣、光纖衰減、激光準直實現光場遠距離傳輸模擬，并采用輸出光纖頭抖動實現衛星平臺振動的模擬。本發明可在實驗室空間尺度下模擬光束從近場分布到遠場分布的轉換，能夠同時衛星平臺振動的模擬。主要用于兩個衛星激光通信終端的通信和跟瞄性能的地面檢測與驗證，具有結構簡單、成本低、易于調節、適用性廣的優點。
文檔編號H04B10/10GK102412898SQ201110363840
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者劉立人, 孫建鋒, 戴恩文, 閆愛民 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所