光斑尺寸偏差和光轴偏转对空间光混频器混频效率的影响分析

研究了光学元件装调加工误差引起的光斑尺寸和光轴偏转对空间光混频器混频效率的影响。推导了高斯模型下的光混频效率表达式,得到当光斑尺寸与靶面尺寸的比例为0.64时,混频效率最高。在此基础上推导了光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率的表达式。并进行仿真分析,得到光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率变化曲线。当混频效率大于10%时,光斑尺寸偏差范围为-42~250μm,光轴偏转范围为203μrad。通过计算光斑尺寸偏差和光轴偏转综合误差发现,调整光斑尺寸偏差可以改善光轴偏转带来的混频效率恶化。进一步搭建空间光混频器影响因素实验平台,进行了三种光斑尺寸偏差下光混频效率随光轴偏转变化的实验。实验所测曲线与仿真结果趋势一致,受实验器件插入损耗的影响,实验值略低于仿真值。所得影响规律为空间光混频器设计、装调和加工提供了一定参考。

像差及湍流对90°空间光混频器性能的影响研究

光信号在大气湍流中发生畸变,畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后,存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器,推导了带初级像差的90°空间光混频器模型,并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明,对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn^(2)小于6.4×10^(-17)m^(-2/3)时,空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上,在湍流强度Cn^(2)大于6.4×10^(-16)m^(-2/3)时,两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器,并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%;对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%,其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示,空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388,该值远低于单模输出型标准差247.442。

基于相干激光通信的空间光混频器光机结构设计

设计了一种应用于星间相干激光通信系统的新型空间光混频器。基于传统的空间光混频器光学原理方案,加入一块相位补偿晶体,去掉了两片1/2波片,将两块偏振分光棱镜旋转一定角度,能消除1/2波片由于加工误差对相位延迟造成的影响。研究了相位补偿晶体旋转角度与相对相位差补偿量的关系,对相位补偿量的仿真曲线进行了分析。提出了一种空间光混频器相位检测方法,利用该检测方法搭建实验平台,通过实验数据验证了此方法对于相位补偿晶体的有效性。并针对新型空间光混频器光学结构进行了具体的机械结构设计。该装置可应用于空间相干接收系统。

基于相干激光通信空间光混频器数学模型的建立

从自由空间相干激光通信接收机的核心部件空间光混频器的光学原理出发,基于其在相干接收系统中所起的作用,建立了一套利用介质膜偏振分光棱镜(PBS)交叉分光构成方式的结构模型。研究结构模型中各光学元件对信号光与本振光作用的数学关系式,最终建立出空间光混频器的数学模型。该数学模型向具体结构演化,通过实验佐证了空间光混频器数学模型的正确性及其合理性。空间光混频器数学模型具体指出了各种光学元件相对摆放位置及其相对角度和相位补偿晶体的补偿范围及其调整方式,对未来高性能空间光混频的研制与改进有重大的指导意义。

带有整形元件的相干探测混频系统

相干探测混频器是空间相干光通信系统的重要组件,主要作用是将信号光和本振光进行混频得到中频信号,进而对光信号进行放大,使探测器的灵敏度达到量子噪声极限。混频效率对中频信号的强度尤其重要,因此,假设本振光为理想高斯分布时,计算了信号光的不同振幅分布对混频效率的影响。通过设计一组光束整形镜将信号光的振幅分布变为高斯分布,从而实现高斯光和高斯光的相干混频。实验结果表明,带有整形元件的相干探测混频器可实现信号光与本振光相似的振幅分布,且相比均匀分布的信号光,混频效率提高了17个百分点。