一種產(chǎn)生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種半導體激光器出射光束的準直與整形光學系統(tǒng)，產(chǎn)生高精度準直空心激光束。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對通信容量的需求越來越高。光通信具有微小的光束發(fā)散角和高的方向性(因而具有較高的軍事保密性)、速率高、傳輸容量大(比微波通信高3?5個數(shù)量級)、重量輕等優(yōu)點，已逐漸成為國際化的研宄熱點。光學天線作為光通信技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵性發(fā)射、接收部件存在高精度準直和次鏡中心能量損耗兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。因此高精度預準直與整形技術(shù)是確保實現(xiàn)遠距離空間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，也是提高捕獲、對準與跟蹤(APT)精度的重要保證。
[0003]半導體激光器是光通信系統(tǒng)普遍使用的激光源，其有源區(qū)類似于一個矩形平面介質(zhì)波導，在傳播時容易發(fā)散，其出射光束橫截面具有橢圓形狀。半導體激光器在垂直于結(jié)平面(即快軸)的典型發(fā)散角(半角)一般在0°?30°范圍內(nèi)變化，平行于結(jié)平面(慢軸)方向上的發(fā)散角在0°?10°范圍內(nèi)變化。發(fā)散角越小，方向性越好。為了使半導體激光器輸出的高斯光束能夠高質(zhì)量、高效率地進入光學天線傳輸，需要對半導體激光器的輸出光束進行整形，壓縮光束發(fā)散角以改善遠場對稱性和光斑形狀。若輸出光束為高精度準直的空心激光束，既可提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的發(fā)射精度，又可有效避免天線次鏡中心反射所造成的能量損失。因此對半導體激光器出射光束進行高精度準直與整形對于遠距離激光通信系統(tǒng)具有重要的意義。
[0004]2000年牛津大學在“Nature”雜志上報到了用三維全息法制作可見光波段的光子晶體，其自準直特性可以突破光的衍射極限。2012年，中科院半導體所鄭婉華研宄組在傳統(tǒng)半導體激光器諧振腔結(jié)構(gòu)中引入光子晶體，調(diào)控激光振蕩模式，從芯片層次改善激光的輸出光束質(zhì)量，首次在國際上研制出905nm波段的高光束質(zhì)量光子晶體激光器，激光輸出遠場呈近圓斑分布，快軸發(fā)散角6.5°，慢軸發(fā)散角7.1°。2013年，濟南大學的師生在“Optics Letter”上發(fā)表了在光纖端面制作雙軸雙曲面微透鏡將半導體激光器的快、慢軸發(fā)散角分別壓縮至6.9和32.3mrad,耦合至光纖中，耦合效率提高至80 %。上述半導體激光器預準直方法所采用的光學系統(tǒng)，任不能從根本上改變半導體激光器非對稱發(fā)散角特性，且難以改善光通信天線次鏡中心部分反射造成的能量損耗，從而一定程度限制了光學天線的發(fā)射精度和傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種產(chǎn)生高精度準直空心光束的新方法，將半導體激光器出射的非對稱發(fā)散角激光束準直整形為圓形截面的空心激光束，實現(xiàn)半導體激光束到光學天線的高效耦合，有效避免天線次鏡中心反射造成的能量損失，而準直發(fā)散角接近衍射極限的高功率激光傳輸，有效確保遠距離空間光通信的實現(xiàn)。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案可分如下兩方面概括:一方面，高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)對半導體激光器出射的非對稱發(fā)散角高斯光束的準直與整形；另一方面，整形光學系統(tǒng)(2)將光束進一步整形為空心高斯光束。該系統(tǒng)應用于光通信系統(tǒng)中的卡塞格倫天線，可有效避免天線次鏡中心反射所造成的能量損失，從而提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的發(fā)射精度和傳輸效率。
[0007]本發(fā)明中的高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)，主要由一個旋轉(zhuǎn)雙曲面平凸透鏡、三棱鏡(I)和三棱鏡(2)構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)雙曲面透鏡將半導體激光器出射的非對稱發(fā)散角特性的高斯束準直為橢圓截面的高精度準直光束，三棱鏡(I)和三棱鏡(2)將準直后的橢圓截面準直光束整形為與光學系統(tǒng)主光軸同軸的圓形截面準直光束。
[0008]本發(fā)明中的整形光學系統(tǒng)(2)，由一對軸棱錐構(gòu)成，軸棱錐底面重合并與光學系統(tǒng)的主光軸同軸，入射的圓形截面準直光束經(jīng)過整形光學系統(tǒng)(2)后整形為圓環(huán)形截面的空心光束，由于兩個軸棱錐結(jié)構(gòu)相同，出射的空心光束仍為高精度準直光束。
[0009]本發(fā)明中采用的光學系統(tǒng)設(shè)計方法是基于矢量折射定理，建立各三維折射面與三維矢量光線模型，利用MATLAB程序?qū)鈱W系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)設(shè)計，對光線在光學系統(tǒng)中的空間傳輸進行三維追跡，獲得像質(zhì)評價參數(shù)，具體包括:1)出射光束三維空間發(fā)散角；2)點列圖，即接收平面的光斑分布；3)能量均勻度，即接收平面內(nèi)的三維能量分布；4)像質(zhì)評估曲線，即球差、像散、場曲等像差曲線，包括由于各光學元件偏軸所產(chǎn)生的彗差曲線等。
【附圖說明】
[0010]圖1為半導體激光器出射光束非對稱發(fā)散角特性示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明一種產(chǎn)生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0012]圖3為本發(fā)明一種實施例的高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4為本發(fā)明一種實施例的整形光學系統(tǒng)(2)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖5為本發(fā)明一種實施例的產(chǎn)生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)的橫截面封裝示意圖。
[0015]圖6為本發(fā)明一種實施例的半導體激光器出射面上、高精度準直與整形光學系統(tǒng)
(I)出射面上和整形光學系統(tǒng)(2)接收平面上的光斑與發(fā)散角仿真圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例進一步闡述和說明本發(fā)明。
[0017]圖1所示，半導體激光器的出射光束橫截面具有橢圓形狀，在快軸方向的典型發(fā)散角(半角)一般在0°?30°范圍內(nèi)，慢軸方向上的發(fā)散角在0°?10°范圍內(nèi)。本發(fā)明一種產(chǎn)生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)對半導體激光器的輸出光束進行準直與整形，既可提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的發(fā)射精度，又可有效避免天線次鏡中心反射所造成的能量損失。
[0018]圖2所示，為本發(fā)明一種產(chǎn)生高精度準直空心激光束的光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含:高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)和整形光學系統(tǒng)(2)。半導體激光器的出射光束I為橢圓截面的非對稱發(fā)散角高斯光束，經(jīng)過高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)后的光束II為圓形截面的高精度準直激光束，經(jīng)整形光學系統(tǒng)(2)后的光束III為圓環(huán)形截面的高精度準直空心激光束，再經(jīng)后繼卡塞格倫天線進行高精度發(fā)射與高效率傳輸。
[0019]圖3所示，為本發(fā)明一種實施例的高精度準直與整形光學系統(tǒng)(I)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)對半導體激光器出射的非對稱發(fā)散角高斯光束的準直與整形，主要由旋轉(zhuǎn)雙曲面平凸透鏡、三棱鏡(I)和三棱鏡(2)構(gòu)成。
[0020]旋轉(zhuǎn)雙曲面平凸透鏡，位于其左方焦點處的點光源所發(fā)出的光經(jīng)過該系統(tǒng)后，與光軸之間的發(fā)散角接近于零度，為高精度準直的平行光束。將半導體激光器出射面放置在旋轉(zhuǎn)雙曲平凸透鏡的左焦點處，