空间光通信中的光束质量处理技术研究

由于通常采用圆形孔径加工光学系统，故可将单横模输出的半导体激光器发出的椭圆高斯光束近似为圆高斯光束，提出了对半导体激光器出射光束用轴对称光学系统进行处理的方法。并通过计算有限孔径的高斯光束有效菲涅尔数，确定了只要选择合适的孔径和距离，可以将几何光学的一些方法引入到高斯光束的处理问题中。实验中用视频激光光束检测仪对准直后的光束进行了测试，通过计算得出准直后的发散角被很好地控制在1mrad以内，从而验证了理论的可行性及准直系统的实用价值。
关 键 词 发散角; 准直; 菲涅尔数; 高斯光束; 光通信; 半导体激光器

光通信作为地球轨道卫星之间的通信以及无法铺设光纤场合的点对点通信，很有发展前途。由于光通信具有传输容量大、保密性好、不受电磁干扰等优点，已日益受到人们的关注。
半导体激光器作为一种电光转换效率高、驱动电流低、体积小、重量轻、结构简单及稳定性好、寿命长、易于集成化和微型化的高可靠性光源，近年来制造工艺水平迅速提高，输出功率不断增大，已成为太空光通信的首选光源。如美国约翰逊空间站的激光对接系统采用CW半导体激光器作为光源；日本东京宇航研究所的空间交会对接扫描激光雷达采用CW/GaAlAs半导体激光器作为光源[1]。
但是半导体激光器由于具有非对称激活通道，发出的激光在子午和弧矢方向其的发散角一般为20°～40°和5°～10°，从而形成像散，并在远场形成椭圆光斑。这样的激光束利用价值不高，无法实现长远距离传输，故在使用半导体激光器时必须对其光束进行处理。国内外已报道的一些改善半导体激光束性能的方法和器件主要有：(1) 几何透镜组合准直系统；(2) 变形棱镜消像散、准直系统；(3) 自聚焦棒透镜准直系统；(4) 光纤微透镜耦合系统；(5)二元光学元件准直系统等[2-8]。
为了使光电探测器不存在探测盲区，通常选用出射基横模的半导体激光器，对于单横模输出的半导体激光器发出的椭圆高斯光束，若用圆高斯光束来处理，引入误差很小，可以简化理论计算[9]。同时，由于任何光束处理系统都有一定的口径限制，通常采用圆形孔径加工光学系统，即相当于在准直头前加上合适圆光阑，限制圆光阑外的激光束通过，可在像方空间得到近似的轴对称圆光束，故可将半导体激光器出射的椭圆光束近似为圆光束，用轴对称光学系统进行处理。这种损失边缘能量的办法只是使光束束斑变小，对束斑亮度影响不大，不会降低作用距离，是一种用于半导体激光器光束准直的简单有效的措施。实验验证了基于这一思想所设计的光束处理系统的可行性。