[发明专利]一种新型菲涅耳光学天线发射系统

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种新型菲涅耳光学天线发射系统。

背景技术

光学天线系统的主要作用为激光束扩束和进一步压缩发散角。光学天线是光通信技术领域的关键性发射、接收子系统，高精度的准直技术与高传输效率是光学天线系统能够实现远距离传输、高跟踪精度的重要保证。

空间光通信通常涉及多波长传输，广泛使用无色差的反射式系统(卡塞格伦型望远镜)作为发射和接收天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中心(光)轴上，天线次镜中心部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中心能量损失，因此对远距离空间光通信系统的能量传输造成极大的影响。

NASA飞行研究中心早在1974年就进行了光通信传输光学天线增益研究。2006年，日本东京国家通信技术研究所对高速光通信光学天线传输效率进行了研究。近年来法国开展了新一代光子雷达天线研究，法国国防部研究的新一代光子带隙(PBG：photonic band gap)抛物状的天线结构可以极大提高天线的发射效率。2008年，Eberhard Karls University Tubingen应用物理研究中心，在APL刊物上发表了关于三维光学天线在近场显微镜中的应用研究成果。2010年，University of Southern California的Los Angeles提出了一种基于光子晶体带隙的新型结构光学天线。2013年，美国科学家对高指向增益的混合结构光学天线进行了研究。

波带片是一种重要的衍射光学器件，由Lord Rayleigh于1871年首次制作成功。1898年，Wood开展了波带片在可见光照射下的研究工作，揭开了波带片作为一类新型光学器件在光学领域的新篇章。1961年，Baez提出菲涅耳波带片可作为极紫外辐射到软X射线这一波段的成像元件，激起了人们对波带片的广泛重视。1972年，Rogers所在小组报道了菲涅耳波带片在伽马射线成像方面的研究成果。1980年，Kearney等人利用波带片对中子实现了聚焦和成像。1991年，Takuma实现了菲涅耳波带片对激发态He原子的聚焦。1999年，Doak的研究小组实现了菲涅耳波带片对基态He原子的聚焦。近年来，由于在软X射线显微成像技术方面的应用引人瞩目，波带片成为了一个研究热点。Maser,Schneider和Schmahl采用耦合波分析法对波带片的衍射场分布作了数学逼近，数值解表明应用改善效率的较高衍射级将提高其成像分辨率。

将菲涅耳波带片与光学天线相结合，利用菲涅耳波带片的聚焦特性，使其取代传统的聚焦透镜。利用其衍射特性产生暗中空光束，可有效避天线次镜中心部分反射存在的能量损失。

发明内容

本发明针对现有光学天线存在的不足，解决天线次镜中心能量损耗的关键技术问题，给出了一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构。该光学天线发射系统主要由菲涅耳波带片和卡塞格伦天线构成，可有效提高光通信发射天线的传输效率，且易于实现光通信发射系统的小型集成化。

本发明采用的技术方案可分如下两方面概括：一方面，对产生暗中空光束的菲涅耳波带片进行设计；另一方面，将菲涅耳波带片应用到卡塞格伦天线系统中，形成接近衍射极限的高精度准直激光束，有效提高光通信发射天线系统的发射精度和传输效率。

本发明中的菲涅耳波带片设计是基于基尔霍夫衍射理论，圆形菲涅耳波带片由透光和不透过的波带相间组成，固定在天线抛物面主镜的中心圆孔内，对入射平面波进行聚焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合。基于平面屏幕衍射的基尔霍夫理论，分析菲涅耳波带片在平面光垂直入射情况下的会聚性能与离焦衍射光强分布，确定最佳的波带片参数，使天线次镜处的光斑中心为暗斑。

本发明中的光学天线发射系统的设计是基于矢量反射定理，建立三维天线反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在天线中的空间传输进行三维追迹，对天线结构进行优化设计，得到最佳的光束准直效果和空心比。

附图说明

图1为本发明一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构图。

图2为平面波照射圆形菲涅耳光波带片原理图。

图3为本发明一种实施例的1550nm菲涅耳波带片结构仿真图。

图4为本发明实施例的菲涅耳波带片离焦衍射光强计算原理图。

图5为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的子午面内光束传输仿真图。

图6为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的弧矢面内光束传输仿真图。