張來線,任建迎,2,孫華燕,劉瑞豐,2,趙延仲

(1.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系,北京 101416;2.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)研究生院,北京 101416)

1 引 言

貓眼逆向調(diào)制激光通信技術(shù)具有體積小、重量輕、功耗小等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用小載荷空間平臺上進(jìn)行組網(wǎng)、通信識別,國內(nèi)外已開展了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究[1-3]。受雙程傳輸和反射率的影響逆向調(diào)制技術(shù)的作用距離受到限制,雖然文獻(xiàn)[4]～[6]對貓眼效應(yīng)的反射率進(jìn)行了研究分析,但對反射光強(qiáng)缺乏定量分析。文獻(xiàn)[7]～[10]利用幾何光學(xué)法和Collins公式法分解逆向調(diào)制光束的傳輸過程,從理論上分析了光學(xué)逆向調(diào)制器反射光強(qiáng)與入射角、離焦量關(guān)系。文獻(xiàn)[13]、[14]提出了陣列光束抑制大氣湍流增加探測光強(qiáng)的方法。

本文對單個逆向調(diào)制器和三個逆向調(diào)制器分別進(jìn)行了激光照射實(shí)驗(yàn),得到了逆向調(diào)制器的反射光斑,并測量得到了單個和陣列調(diào)制器的反射光強(qiáng)值及其規(guī)律。測量得到的規(guī)律對光學(xué)逆向調(diào)制器具有普適性,對逆向調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

2 逆向調(diào)制技術(shù)原理及實(shí)驗(yàn)測試方案

根據(jù)貓眼效應(yīng)原理,入射到貓眼鏡頭的反射光束與入射光束完全重合。逆向調(diào)制技術(shù)是在貓眼光學(xué)鏡頭的焦平面處放置了光學(xué)逆向調(diào)制器,把需要傳輸?shù)男畔⒓虞d在入射光束上并使其原路返回,在激光發(fā)射端接收反射光解調(diào)出所需要的信息。逆向調(diào)制反射光強(qiáng)除受距離、光學(xué)口徑影響外,還受調(diào)制器位置、光束入射角的影響。反射光與入射角、離焦量的關(guān)系文獻(xiàn)[4-5,7-8]已進(jìn)行了理論分析。本文從實(shí)驗(yàn)上對陣列逆向調(diào)制反射光場和光強(qiáng)進(jìn)行分析,分析陣列反射光強(qiáng)與單個調(diào)制器光強(qiáng)關(guān)系。

由于逆向調(diào)制器的角度對反射光有較大影響,為提高實(shí)驗(yàn)過程中的精度,實(shí)驗(yàn)前要調(diào)節(jié)陣列逆向調(diào)制器,確保其光軸相互平行。由于逆向調(diào)制器的貓眼效應(yīng),原路返回的反射光束與入射光束是完全重合的,因此在實(shí)驗(yàn)測量反射光束時(shí)必須解決入射光束與反射光束相互干擾的問題。鑒于以上問題,本文采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案。激光器經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束后照射到逆向調(diào)制鏡頭,其反射光在近場采用靶板1接收,接收靶板1距離光軸1 m。反射光到達(dá)發(fā)射端經(jīng)分束鏡進(jìn)入接收靶板2,接收靶板2距離光軸1 m。當(dāng)反射光的發(fā)散角較大時(shí),反射光斑遠(yuǎn)大于分束鏡時(shí)使用靶板3接收反射光斑,接收靶板3距離激光器5 m。測量光強(qiáng)時(shí)探測器接收分束鏡2分出一束反射光,分束鏡中心距離到探測器距離與到準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡距離相等。為了更加精確的調(diào)節(jié)入射角和離焦量,把陣列逆向調(diào)制器固定在方位角可微調(diào)的轉(zhuǎn)臺上,鏡頭焦點(diǎn)位置的調(diào)制器固定在了精密位移平臺上,用來調(diào)節(jié)離焦量,如圖2逆向調(diào)制陣列場景圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中的場景圖如圖2所示,實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù):532 nm半導(dǎo)體激光器,功率為25 mW,光束發(fā)散角為4.3 mrad,分束鏡口徑為300 mm,分束比為1∶1,逆向調(diào)制鏡頭口徑為50 mm,視場角為30°,焦距為24 mm,逆向鏡頭陣列中心間距7 cm。主動端距離逆向調(diào)制陣列60 m,接收鏡頭75 mm。

圖2 逆向調(diào)制實(shí)驗(yàn)場景

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 陣列逆向調(diào)制反射光斑

根據(jù)幾何光學(xué)原理,當(dāng)帶有發(fā)散角的入射光束經(jīng)過鏡頭會聚在焦點(diǎn)處,調(diào)制器表面使會聚光束發(fā)生反射,反射光束在發(fā)射點(diǎn)處會聚。實(shí)驗(yàn)中激光器發(fā)射的點(diǎn)光源經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束發(fā)散角為10 mrad。為了能夠較清楚的比較反射光斑尺寸,實(shí)驗(yàn)中使用了帶有刻度標(biāo)志的接收板,每格代表1 cm,接收板的位置保持不變,通過精密位移平臺調(diào)節(jié)貓眼鏡頭焦點(diǎn)處的調(diào)制器前后位置,即離焦量的變化。

接收靶板1接收到的陣列逆向調(diào)制器正離焦時(shí)的反射光場如圖3(a)、(c)、(e)、(g)所示,近場位置反射光斑間隔與鏡頭間隔保持一致,反射光斑尺寸隨著正離焦量的增大先縮小為一個點(diǎn)然后增大,且呈現(xiàn)為發(fā)散光斑,如圖3(g)所示,發(fā)射端接收靶板2或3接收到的反射光斑如圖3(b)、(d)、(f)、(h)所示,圖3(b)和(d)中心陰影是由準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和激光器的遮擋造成的,由結(jié)果可以看出陣列反射光斑在發(fā)射端重合。為了完整的展現(xiàn)離焦量對反射光場分布影響,其中圖3(g)和(h)中的三個逆向調(diào)制器的離焦量并不一致,左側(cè)光斑離焦量δ=30 μm,中心光斑δ=40 μm,右側(cè)光斑δ=50 μm,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著離焦量繼續(xù)增大反射光斑呈現(xiàn)發(fā)散狀。負(fù)離焦時(shí)反射光斑尺寸快速變大,光斑邊緣輪廓較明顯,如圖4所示。

圖3 正離焦時(shí)的反射光場分布

圖4 負(fù)離焦時(shí)反射光場分布

圖5是離焦量δ=15 μm和入射角θ=10°時(shí)的反射光場分布,圖5(a)是接收靶板1接收到的光斑,圖5(b)是接收靶板3接收到的陣列反射光束的疊加光斑,圖5(b)中光斑不完整是由半透半反鏡接收反射光斑不完整造成的,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出入射角的存在改變反射光斑的形狀。

圖5 δ=15 μm和θ=10°時(shí)的反射光場分布

3.2 逆向調(diào)制反射光強(qiáng)規(guī)律

離焦量和入射角的變化對反射光場的影響最終體現(xiàn)在反射光強(qiáng)的變化上,因此分析離焦量和入射角對反射光強(qiáng)變化規(guī)律十分必要。在前面光場測試的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,在接收靶板3位置處放置接收鏡頭和探測器,測量過程中調(diào)節(jié)精密位移平臺和方位平臺角度改變離焦量和入射角,通過鏡頭蓋遮擋方法分別測量每個逆向調(diào)制器的反射光強(qiáng)和三個調(diào)制器的反射光合成光強(qiáng)值。

圖6為測量得到的陣列鏡頭和陣列中單個鏡頭的反射光強(qiáng)隨離焦量變化曲線,從圖6中可以看出陣列和單個調(diào)制器的反射光強(qiáng)隨著離焦量增加而變大,在離焦量為25 μm時(shí)光強(qiáng)達(dá)到最大,然后快速下降,陣列反射光強(qiáng)表現(xiàn)為線性增加和線性下降。單個鏡頭的光強(qiáng)隨離焦量變化曲線類似高斯曲線。當(dāng)離焦量小于10 μm時(shí),陣列反射光強(qiáng)是三個單個鏡頭反射光強(qiáng)的線性疊加,當(dāng)離焦量大于時(shí)10 μm陣列光強(qiáng)與單個鏡頭光強(qiáng)差別不大。圖7(a)、(b)分別是離焦量δ=0,-10,10,20 μm時(shí)光強(qiáng)隨入射角變化曲線,由圖10(a)和(b)得隨著入射角的增大光強(qiáng)變小,當(dāng)入射角達(dá)到15°時(shí)陣列光強(qiáng)與單個光束光強(qiáng)曲線基本重合,入射角小于15°時(shí)陣列光強(qiáng)是單個反射光強(qiáng)的線性疊加。

圖6 光強(qiáng)信號隨離焦量變化曲線

圖7 不同離焦量下光強(qiáng)隨入射角變化曲線

4 結(jié) 論

本文采用線形逆向調(diào)制陣列在室內(nèi)進(jìn)行了60 m反射光場和反射光強(qiáng)測量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了陣列逆向調(diào)制系統(tǒng)的原路返回特性,得到了反射光場分布和反射光強(qiáng)隨離焦量、入射角變化規(guī)律,得到了陣列反射光強(qiáng)與單個反射光強(qiáng)值的變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及光強(qiáng)變化規(guī)律為逆向調(diào)制技術(shù)的性能分析、可行性應(yīng)用提供了重要的依據(jù)?？蓮膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,陣列反射光束在發(fā)射點(diǎn)位置相互重合。正離焦時(shí)反射光束發(fā)散角隨著離焦量增大先變小后變大,當(dāng)發(fā)散角變小時(shí)反射光能量聚焦度好,陣列反射光強(qiáng)值不是單個反射光強(qiáng)值的疊加。負(fù)離焦時(shí)反射光束的發(fā)散角變大,反射光的單位能量密度減小,陣列反射光強(qiáng)值接近三個單個反射光強(qiáng)值的疊加。隨著入射角的增大反射光強(qiáng)值逐漸變小,陣列光強(qiáng)值在有效入射角范圍內(nèi)是單個反射光強(qiáng)值的疊加。本文測試結(jié)果及其規(guī)律對陣列逆向調(diào)制系統(tǒng)具有普適性,對逆向調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用研究具有重要實(shí)際意義。