大功率空间椭圆光束整形和传输研究-通信与信息系统专业论文.docx

Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Study on high power space elliptical beam reshaping and transmission Candidate: Liu Chenxi Supervisor: Associate Prof.Humiao January， 2015 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 空间激光通信对通信质量与通信稳定性有很高的要求。在信号发射源的选择上，半导体 泵浦的固体激光器具有构造简洁、使用寿命长、高效稳定的优势，出射的激光光束具有输出 功率高、光束质量高、稳定性高的特点。在固体激光器的选择中，板条型激光器由于具有良 好的导热性能而成为首选。 本论文针对板条型固体激光器出射的在大气中传输的椭圆激光光束的光束发散角、束腰 半径以及整形后光束所受大气散射引发的成像光斑作出以下几方面的研究： （1）对板条激光器与空间激光光束整形传输的概况简要介绍，重点综述板条型激光器的 优势与近年的发展状况、光束整形的分类与近年发展状况以及空间激光传输研究的发展状况。 （2）介绍了以光学变换矩阵为主的光束传输特性研究方法、基模高斯光束的描述与质量 评价方法以及高斯光束的 ABCD 定律应用。 （3）分析了大气中粒子引起的 Mie 散射的理论基础以及粒子的形状、尺度参数、粒子的 折射率对散射的影响，阐述了 Mie 散射的强度分布函数、体角散射函数的计算方法。 （4）针对板条激光器输出光束光斑呈椭圆形的问题，采用几何方法设计整形系统，运用 ABCD 定律，选用五组不同焦距的柱面凹凸透镜组合，模拟了运用柱面望远镜系统对椭圆光 束横轴方向进行扩束、并用单波长扩束装置压缩激光横轴与纵轴方向远场发散角的方法。仿 真结果为：选取特定组合焦距的柱面凹透镜与柱面凸透镜，可将激光光束横轴方向的较大的 初始发散角由 600 μrad 减小到 230 μrad，同时使两轴的束腰位置保持相同。通过普通扩束镜 对光束进行横轴、纵轴两方向的同时扩束，扩束后横轴、纵轴两方向远场发散角的比值接近 于 1。在实验中最终也得到了整形后横轴发散角为 92.8 μrad、纵轴发散角为 107 μrad 的圆形 高斯光束，与仿真结果相符合。 （5）整形后激光光束在大气中传输时会受到后向散射，针对后向散射在 CCD 接收屏上 的光斑形状问题，分别通过理论与实验进行研究。理论上，首先分析大气激光传输的比尔定 律和后向 Mie 散射的散射光强度函数；其次推导出成像光斑圆心位置及半径计算公式，构建 大气分层模型，激光光束被分割为若干层分别在接收屏上成像，通过对成像光斑进行叠加从 而得到后向散射总光强，得出成像光斑后向散射总光强与大气颗粒物浓度成正比的结论。实 验上，通过控制出射光束的基本参量保持不变，获取大气颗粒物浓度不同情况下的 Mie 后向 散射 CCD 成像图。实验结果与仿真结果相符，对不同大气颗粒物浓度下的实验结果进行对比 分析，为研究大气中其他光束的后向散射成像打下基础。 关键词：椭圆高斯光束、柱面望远镜、扩束、米散射、大气颗粒物 I ABSTRACT Space laser communication has high demand for communication quality and stability. In the choice of signal emission source, semiconductor pumped solid-state laser has advantages of concise structure, long service