空間光通信中的光束質(zhì)量處理技術(shù)研究

由于通常采用圓形孔徑加工光學系統(tǒng)，故可將單橫模輸出的半導體激光器發(fā)出的橢圓高斯光束近似為圓高斯光束，提出了對半導體激光器出射光束用軸對稱光學系統(tǒng)進行處理的方法。并通過計算有限孔徑的高斯光束有效菲涅爾數(shù)，確定了只要選擇合適的孔徑和距離，可以將幾何光學的一些方法引入到高斯光束的處理問題中。實驗中用視頻激光光束檢測儀對準直后的光束進行了測試，通過計算得出準直后的發(fā)散角被很好地控制在1mrad以內(nèi)，從而驗證了理論的可行性及準直系統(tǒng)的實用價值。
關(guān) 鍵 詞 發(fā)散角; 準直; 菲涅爾數(shù); 高斯光束; 光通信; 半導體激光器

光通信作為地球軌道衛(wèi)星之間的通信以及無法鋪設(shè)光纖場合的點對點通信，很有發(fā)展前途。由于光通信具有傳輸容量大、保密性好、不受電磁干擾等優(yōu)點，已日益受到人們的關(guān)注。
半導體激光器作為一種電光轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動電流低、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單及穩(wěn)定性好、壽命長、易于集成化和微型化的高可靠性光源，近年來制造工藝水平迅速提高，輸出功率不斷增大，已成為太空光通信的首選光源。如美國約翰遜空間站的激光對接系統(tǒng)采用CW半導體激光器作為光源；日本東京宇航研究所的空間交會對接掃描激光雷達采用CW/GaAlAs半導體激光器作為光源[1]。
但是半導體激光器由于具有非對稱激活通道，發(fā)出的激光在子午和弧矢方向其的發(fā)散角一般為20°～40°和5°～10°，從而形成像散，并在遠場形成橢圓光斑。這樣的激光束利用價值不高，無法實現(xiàn)長遠距離傳輸，故在使用半導體激光器時必須對其光束進行處理。國內(nèi)外已報道的一些改善半導體激光束性能的方法和器件主要有：(1) 幾何透鏡組合準直系統(tǒng)；(2) 變形棱鏡消像散、準直系統(tǒng)；(3) 自聚焦棒透鏡準直系統(tǒng)；(4) 光纖微透鏡耦合系統(tǒng)；(5)二元光學元件準直系統(tǒng)等[2-8]。
為了使光電探測器不存在探測盲區(qū)，通常選用出射基橫模的半導體激光器，對于單橫模輸出的半導體激光器發(fā)出的橢圓高斯光束，若用圓高斯光束來處理，引入誤差很小，可以簡化理論計算[9]。同時，由于任何光束處理系統(tǒng)都有一定的口徑限制，通常采用圓形孔徑加工光學系統(tǒng)，即相當于在準直頭前加上合適圓光闌，限制圓光闌外的激光束通過，可在像方空間得到近似的軸對稱圓光束，故可將半導體激光器出射的橢圓光束近似為圓光束，用軸對稱光學系統(tǒng)進行處理。這種損失邊緣能量的辦法只是使光束束斑變小，對束斑亮度影響不大，不會降低作用距離，是一種用于半導體激光器光束準直的簡單有效的措施。實驗驗證了基于這一思想所設(shè)計的光束處理系統(tǒng)的可行性。