[发明专利]一种产生高精度准直空心激光束的光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器出射光束的准直与整形光学系统，产生高精度准直空心激光束。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对通信容量的需求越来越高。光通信具有微小的光束发散角和高的方向性(因而具有较高的军事保密性)、速率高、传输容量大(比微波通信高3～5个数量级)、重量轻等优点，己逐渐成为国际化的研究热点。光学天线作为光通信技术领域的关键性发射、接收部件存在高精度准直和次镜中心能量损耗两个关键技术问题。因此高精度预准直与整形技术是确保实现远距离空间激光通信的关键技术，也是提高捕获、对准与跟踪(APT)精度的重要保证。

半导体激光器是光通信系统普遍使用的激光源，其有源区类似于一个矩形平面介质波导，在传播时容易发散，其出射光束横截面具有椭圆形状。半导体激光器在垂直于结平面(即快轴)的典型发散角(半角)一般在0°～30°范围内变化，平行于结平面(慢轴)方向上的发散角在0°～10°范围内变化。发散角越小，方向性越好。为了使半导体激光器输出的高斯光束能够高质量、高效率地进入光学天线传输，需要对半导体激光器的输出光束进行整形，压缩光束发散角以改善远场对称性和光斑形状。若输出光束为高精度准直的空心激光束，既可提高光通信系统中发射天线的发射精度，又可有效避免天线次镜中心反射所造成的能量损失。因此对半导体激光器出射光束进行高精度准直与整形对于远距离激光通信系统具有重要的意义。

2000年牛津大学在“Nature”杂志上报到了用三维全息法制作可见光波段的光子晶体，其自准直特性可以突破光的衍射极限。2012年，中科院半导体所郑婉华研究组在传统半导体激光器谐振腔结构中引入光子晶体，调控激光振荡模式，从芯片层次改善激光的输出光束质量，首次在国际上研制出905nm波段的高光束质量光子晶体激光器，激光输出远场呈近圆斑分布，快轴发散角6.5°，慢轴发散角7.1°。2013年，济南大学师生在“Optics Letter”上发表了在光纤端面制作双轴双曲面微透镜将半导体激光器的快、慢轴发散角分别压缩至6.9和32.3mrad，耦合至光纤中，耦合效率提高至80％。上述半导体激光器预准直方法所采用的光学系统，任不能从根本上改变半导体激光器非对称发散角特性，且难以改善光通信天线次镜中心部分反射造成的能量损耗，从而一定程度限制了光学天线的发射精度和传输效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直空心光束的新方法，将半导体激光器出射的非对称发散激光束准直整形为圆形截面的空心激光束，实现半导体激光束到卡塞格伦光学天线的高效耦合，有效避免天线次镜中心反射造成的能量损失，而准直发散角接近衍射极限的高功率激光传输，有效确保远距离空间光通信的实现。

本发明采用的技术方案可分如下两方面概括：一方面，高精度准直与整形光学系统对半导体激光器出射的非对称发散高斯光束的准直与整形；另一方面，空心光束整形光学系统将准直光束进一步整形为空心光束。该系统应用于光通信系统中的卡塞格伦天线，可有效避免天线次镜中心反射所造成的能量损失，从而提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。

本发明中的高精度准直与整形光学系统，主要由一个旋转双曲面平凸透镜和三棱镜组构成；旋转双曲面透镜将半导体激光器出射的非对称发散角特性的高斯激光束准直为椭圆截面的高精度准直激光束。三棱镜组将准直后的椭圆截面准直光束整形为与光学系统主光轴同轴的圆形截面准直光束。

本发明中的空心光束整形光学系统，由一对轴棱锥构成，两个对称轴棱锥的底面相重合，并与光学系统的主光轴同轴。入射的圆形截面准直激光束经过空心光束整形光学系统后被整形为圆环形截面的空心光束，由于两个对称轴棱锥的结构相同，出射的空心光束仍为高精度准直激光束。

本发明中采用的光学系统设计方法是基于矢量折射理论，建立各三维折射面与三维矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学系统结构进行最优设计，对光线在光学系统中的空间传输进行三维追迹，获得像质评价参数，具体包括：1)出射光束三维空间发散角；2)点列图，即接收平面的光斑分布；3)能量均匀度，即接收平面内的三维能量分布；4)像质评估曲线，即球差、像散、场曲等像差曲线，包括由于各光学元件偏轴所产生的彗差曲线等。

附图说明

图1为半导体激光器出射光束非对称发散角特性示意图。

图2为本发明一种产生高精度准直空心激光束的光学系统的结构框图。

图3为本发明一种实施例的高精度准直与整形光学系统结构示意图。