[发明专利]一种环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法

说明书

一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法，属于自由空间激光通信技术领域，超短脉冲光在大气中成丝产生“激光鞘”辅助信号光通过湍流，该装置通过波前相位调制器对脉冲光波前相位调谐并同时控制可变倍数扩束镜、变焦透镜模块、超短脉冲激光器实现“激光鞘”空间分布可调谐以达到对信号光实时、最佳的辅助效果。该本发明将激光成丝复杂的非线性过程和时变的链路环境作“黑箱”处理，对超短脉冲光束调谐，克服了“激光鞘”空间分布不易控制、辅助性能波动大的缺点，具有抗湍流能力强、环境自适应的优点，可实现长距离、高稳定度辅助激光通信，并帮助“激光鞘”辅助光通信这一新兴技术的快速应用。

技术领域

本发明属于自由空间激光通信技术领域，特别是将超短脉冲光非线性传输应用于自由空间激光通信。本发明结合空间光调制器优良的相位调制特性，设计了一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法，其可以在星地激光通信、大气激光通信等领域辅助信号光传输，同时优化系统参数，最大限度降低链路环境波动造成影响，特别适用于强湍流、长距离下激光通信的应用。

背景技术

自由空间激光无线通信是以大气作为传输媒介以激光作为载波在自由空间进行信息传递的通讯技术，具有频带宽、速率高、协议透明、无需频谱许可证等优点。但由于高频穿透性差的特点，大气环境(如：大气湍流、云、雾)将对通信造成极大影响，现有的解决方案如多发多收系统(MIMO)、自适应光学系统(AO)、中继放大系统等都存在系统复杂、成本高的问题，且未从根本上解决大气问题。

激光成丝现象(Laser Filamentation)是超短激光在空气中传输时，克尔效应自聚焦和等离子体散焦效应平衡产生的突破衍射极限的等离子激光丝，通道径向尺寸达100～200μm，该激光丝功率密度极高可达10¹⁴W/cm^-2。因此气体、气溶胶、液体，甚至是固体均可被击穿。自1995年激光成丝现象被发现以来，其被广泛应用于遥感、大气污染物监测、激光引雷、太赫兹辐射源、少数周期脉冲发生等方面。而关于“激光成丝辅助光通信”的概念直到2014年才被 Alexandru Hening等人(Alexandru Hening,et al.Laser Communicationand Propagation through the Atmosphere and Oceans III.Vol.9224(2014):J1-8)提出； 2018年Jean-Pierre Wolf课题组(Schimmel G,et al.Optica,5(2018):1338-1341.)实验证明在水雾环境中，不同于二氧化碳激光器需要高功率密度(打开100m水雾通道，大约需要功率密度高达10kW/cm^-2的连续光)去加热蒸发水雾从而打开通道的方法，激光成丝产生的冲击波足以使水滴以光束为中心向外驱逐形成 mm量级的通道，该通道可填充信号光，用于强大气湍流下辅助无线激光通信，我们将该通道称为“激光鞘”。描述光丝的特征参量有许多，例如：成丝长度：由于现有技术对脉冲光峰值功率、重频和脉宽的限制，目前国际上最高仅可实现公里量级的成丝距离，尽管如此，激光成丝也可应用于短距离或部分链路的辅助通信，并展示出强抗湍流能力；成丝位置：控制“激光鞘”产生于强大气湍流位置处，将帮助我们最大限度利用有限的成丝距离达到最大辅助效果；脉冲初始啁啾量：用以补偿在空气中传播过程中的群速度色散，通过这种方法可以实现激光成丝位置和长度的控制；“激光鞘”空间分布：该参量将决定辅助光通信的效果，由于激光成丝是受众多因素共同影响的复杂非线性过程，大气环境、脉冲光空间分布、超短激光脉冲参数等均强烈影响生成的“激光鞘”空间分布。并且在实际环境中，通信链路所处的环境是随时间、空间变化的，这导致了超短脉冲非线性传输时的非线性折射率n₂波动，由此会引发一系列问题：例如：“激光鞘”长度变化、“激光鞘”位置变化、“激光鞘”空间分布变化等，这将严重影响辅助激光通信的效果，甚至对通信光造成负面影响，也是该技术未能迅速应用的原因之一。因此提出一套大气环境自适应的“激光鞘”辅助激光通信装置和方法对恶劣环境下激光通信的实现具有重要意义。传统自适应光学的方法是通过接收端的自适应光路重构信号光波前，而本发明则是提出对“激光鞘”的空间分布自适应重构，这与前者有本质的区别，同时，我们提出了合理的设计。