CO2大氣激光通信機發射系統的設計

李廣進　石陽

摘 要 闡述了地對空激光發射機中激光器、光學透鏡、調制器和發射天線等主要光學器件的設計方法，文中設計的發射機已開通戶外試驗，基本達到設計要求。

關鍵詞 大氣激光通信 聲光調制器 卡塞格倫天線

中圖分類號：TN929.12 文獻標識碼：A

0引言

近年來隨著激光器件和光電探測器件的日益完善，大氣激光通信的研究又形成了新的高潮。本文設計的發射系統由激光器、聚焦透鏡、準直透鏡和發射天線等組成，整機的通信距離：地對空大于15km，可傳輸圖像和語音，全雙工通信，誤碼率小于10-9。

1激光發射機關鍵器件的選擇

1.1激光器的選擇

10.6 m的CO2激光器因其效率高、光束質量好，功率范圍大，既能連續輸出又能脈沖輸出，大氣傳輸衰減?。ù髿獯翱冢┑忍攸c，成為本系統的首選光源。激光器采用共焦腔結構，腔長30cm，焦距150mm，輸出功率9W。由于氣體激光器發出的光束是典型的高斯光束，可計算出激光器的束腰半徑 0和發散角 0分別為：

其中為激光波長，為焦距。=10.6 m ； =150mm

1.2聚焦透鏡的分析

CO2激光器直接輸出的激光束發散角和束腰半徑分別為 0=9.5mrad， 0=0.7mm，這就須要采用聚焦透鏡。本系統采用GaAs薄透鏡，薄透鏡對高斯光束變換矩陣為：

式中為薄透鏡焦距，分別為物距和像距。根據ABCD定律中高斯光束成像變換條件式：

式中Z01為共焦參數，要求下式成立：

可推導出：

式中 01， 02分別為入射、出射高斯光束的束腰半徑。代入已知條件可求得聚焦透鏡的參數為：

1. 3發射天線設計

光學天線要求具有高增益、低遮擋率、高透射率、低散射光以及材料熱膨脹系數小、機械強度高、重量輕和使用壽命長等。為滿足地對空作用距離大15公里全雙工激光通信的設計要求，我們選擇反射式卡塞格倫天線，天線的主要參數見表1。

Table1. Major specifications of maksutov-cassegrain antenna

根據使用要求，設計系統光學天線時應重點考慮天線的尺寸及增益。由于發射源選用CO2激光器，光源電場強度滿足高斯幅度分布，即：

式中 為束腰半徑，R為曲率半徑。利用菲涅爾輻射定律和天線增益定義，得到觀測點（r， ）處的天線增益值為：

式中 = / ， =（k 2/2）[（1/r）+（1/R）]， =b/ ，X=k sin 。

通過上述公式及表1的數據可分析和計算出激光束經發射天線后的光束發散角為0.04mrad，束腰半徑為168.8mm，投射到副反射鏡上的光斑尺寸 （z）為463mm，當地對空作用Z=15km時，發射天線的增益和效率分別為：

式中D為發射天線主反射鏡孔徑，D=254mm。

2結論

目前國內對激光大氣通信機的研究主要集中于較短地面站之間，衛星之間的激光鏈路正處于預研階段，地面站與空中移動目標間的激光通信具有一定的新穎性。

參考文獻

[1] 葛林，唐明光.光空間通信中幾個問題的探討[J].光通信技術，1998，22（02）： 86-91.