線性陣列逆向調制器反射光強測試實驗研究

張來線,任建迎,2,孫華燕,劉瑞豐,2,趙延仲

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

1 引 言

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

本文對單個逆向調制器和三個逆向調制器分別進行了激光照射實驗,得到了逆向調制器的反射光斑,并測量得到了單個和陣列調制器的反射光強值及其規律。測量得到的規律對光學逆向調制器具有普適性,對逆向調制技術的應用具有實際意義。

2 逆向調制技術原理及實驗測試方案

根據貓眼效應原理,入射到貓眼鏡頭的反射光束與入射光束完全重合。逆向調制技術是在貓眼光學鏡頭的焦平面處放置了光學逆向調制器,把需要傳輸的信息加載在入射光束上并使其原路返回,在激光發射端接收反射光解調出所需要的信息。逆向調制反射光強除受距離、光學口徑影響外,還受調制器位置、光束入射角的影響。反射光與入射角、離焦量的關系文獻[4-5,7-8]已進行了理論分析。本文從實驗上對陣列逆向調制反射光場和光強進行分析,分析陣列反射光強與單個調制器光強關系。

由于逆向調制器的角度對反射光有較大影響,為提高實驗過程中的精度,實驗前要調節陣列逆向調制器,確保其光軸相互平行。由于逆向調制器的貓眼效應,原路返回的反射光束與入射光束是完全重合的,因此在實驗測量反射光束時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所示的實驗方案。激光器經過準直擴束后照射到逆向調制鏡頭,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。反射光到達發射端經分束鏡進入接收靶板2,接收靶板2距離光軸1 m。當反射光的發散角較大時,反射光斑遠大于分束鏡時使用靶板3接收反射光斑,接收靶板3距離激光器5 m。測量光強時探測器接收分束鏡2分出一束反射光,分束鏡中心距離到探測器距離與到準直擴束鏡距離相等。為了更加精確的調節入射角和離焦量,把陣列逆向調制器固定在方位角可微調的轉臺上,鏡頭焦點位置的調制器固定在了精密位移平臺上,用來調節離焦量,如圖2逆向調制陣列場景圖。

圖1 實驗裝置示意圖

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

圖2 逆向調制實驗場景

3 實驗結果分析

3.1 陣列逆向調制反射光斑

根據幾何光學原理,當帶有發散角的入射光束經過鏡頭會聚在焦點處,調制器表面使會聚光束發生反射,反射光束在發射點處會聚。實驗中激光器發射的點光源經準直擴束后的光束發散角為10 mrad。為了能夠較清楚的比較反射光斑尺寸,實驗中使用了帶有刻度標志的接收板,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節貓眼鏡頭焦點處的調制器前后位置,即離焦量的變化。

接收靶板1接收到的陣列逆向調制器正離焦時的反射光場如圖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然后增大,且呈現為發散光斑,如圖3(g)所示,發射端接收靶板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)中心陰影是由準直擴束鏡和激光器的遮擋造成的,由結果可以看出陣列反射光斑在發射端重合。為了完整的展現離焦量對反射光場分布影響,其中圖3(g)和(h)中的三個逆向調制器的離焦量并不一致,左側光斑離焦量δ=30 μm,中心光斑δ=40 μm,右側光斑δ=50 μm,由實驗結果可以看出隨著離焦量繼續增大反射光斑呈現發散狀。負離焦時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 正離焦時的反射光場分布

圖4 負離焦時反射光場分布

圖5是離焦量δ=15 μm和入射角θ=10°時的反射光場分布,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,由實驗結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°時的反射光場分布

3.2 逆向調制反射光強規律

離焦量和入射角的變化對反射光場的影響最終體現在反射光強的變化上,因此分析離焦量和入射角對反射光強變化規律十分必要。在前面光場測試的實驗基礎之上,在接收靶板3位置處放置接收鏡頭和探測器,測量過程中調節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制器的反射光強和三個調制器的反射光合成光強值。

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隨離焦量變化曲線,從圖6中可以看出陣列和單個調制器的反射光強隨著離焦量增加而變大,在離焦量為25 μm時光強達到最大,然后快速下降,陣列反射光強表現為線性增加和線性下降。單個鏡頭的光強隨離焦量變化曲線類似高斯曲線。當離焦量小于10 μm時,陣列反射光強是三個單個鏡頭反射光強的線性疊加,當離焦量大于時10 μm陣列光強與單個鏡頭光強差別不大。圖7(a)、(b)分別是離焦量δ=0,-10,10,20 μm時光強隨入射角變化曲線,由圖10(a)和(b)得隨著入射角的增大光強變小,當入射角達到15°時陣列光強與單個光束光強曲線基本重合,入射角小于15°時陣列光強是單個反射光強的線性疊加。

圖6 光強信號隨離焦量變化曲線

圖7 不同離焦量下光強隨入射角變化曲線

4 結 論

本文采用線形逆向調制陣列在室內進行了60 m反射光場和反射光強測量實驗,驗證了陣列逆向調制系統的原路返回特性,得到了反射光場分布和反射光強隨離焦量、入射角變化規律,得到了陣列反射光強與單個反射光強值的變化規律,實驗數據及光強變化規律為逆向調制技術的性能分析、可行性應用提供了重要的依據。可從實驗數據看出,陣列反射光束在發射點位置相互重合。正離焦時反射光束發散角隨著離焦量增大先變小后變大,當發散角變小時反射光能量聚焦度好,陣列反射光強值不是單個反射光強值的疊加。負離焦時反射光束的發散角變大,反射光的單位能量密度減小,陣列反射光強值接近三個單個反射光強值的疊加。隨著入射角的增大反射光強值逐漸變小,陣列光強值在有效入射角范圍內是單個反射光強值的疊加。本文測試結果及其規律對陣列逆向調制系統具有普適性,對逆向調制技術的應用研究具有重要實際意義。