一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)天線系統(tǒng)的主要作用為激光束擴(kuò)束和進(jìn)一步壓縮發(fā)散角。光學(xué)天線是光通信
技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵性發(fā)射、接收子系統(tǒng)，高精度的準(zhǔn)直技術(shù)與高傳輸效率是光學(xué)天線系統(tǒng)能 夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、高跟蹤精度的重要保證。
[0003] 空間光通信通常設(shè)及多波長傳輸，廣泛使用無色差的反射式系統(tǒng)（卡塞格倫型望 遠(yuǎn)鏡)作為發(fā)射和接收天線，由于激光高斯光束在軸向傳輸過程中的大量能量匯集在中屯、 (光巧由上，天線次鏡中屯、部分反射至主鏡圓孔內(nèi)的能量將無法傳輸，存在著較大的中屯、能 量損失，因此對遠(yuǎn)距離空間光通信系統(tǒng)的能量傳輸造成極大的影響。
[0004] NASA飛行研究中屯、早在1974年就進(jìn)行了光通信傳輸光學(xué)天線增益研究。2006年， 日本東京國家通信技術(shù)研究所對高速光通信光學(xué)天線傳輸效率進(jìn)行了研究。近年來法國開 展了新一代光子雷達(dá)天線研究，法國國防部研究的新一代光子帶隙（PBG:photonic band gap)拋物狀的天線結(jié)構(gòu)可W極大提高天線的發(fā)射效率。2008年，Eberhard Karls 化iversity化bingen應(yīng)用物理研究中屯、，在APL刊物上發(fā)表了關(guān)于Ξ維光學(xué)天線在近場顯 微鏡中的應(yīng)用研究成果。2010年，University of Southern California的Los Angeles提 出了一種基于光子晶體帶隙的新型結(jié)構(gòu)光學(xué)天線。2013年，美國科學(xué)家對高指向增益的混 合結(jié)構(gòu)光學(xué)天線進(jìn)行了研究。
[0005] 波帶片是一種重要的衍射光學(xué)器件，由Lord Rayleigh于1871年首次制作成功。 1898年，Wood開展了波帶片在可見光照射下的研究工作，掲開了波帶片作為一類新型光學(xué) 器件在光學(xué)領(lǐng)域的新篇章。1961年，Baez提出菲涅耳波帶片可作為極紫外福射到軟X射線運(yùn) 一波段的成像元件，激起了人們對波帶片的廣泛重視。1972年，Rogers所在小組報(bào)道了菲涅 耳波帶片在伽馬射線成像方面的研究成果。1980年，Kearney等人利用波帶片對中子實(shí)現(xiàn)了 聚焦和成像。1991年，Takuma實(shí)現(xiàn)了菲涅耳波帶片對激發(fā)態(tài)化原子的聚焦。1999年，Doak的 研究小組實(shí)現(xiàn)了菲涅耳波帶片對基態(tài)化原子的聚焦。近年來，由于在軟X射線顯微成像技術(shù) 方面的應(yīng)用引人矚目，波帶片成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。Maser,Schneider和Schmahl采用禪合 波分析法對波帶片的衍射場分布作了數(shù)學(xué)逼近，數(shù)值解表明應(yīng)用改善效率的較高衍射級將 提高其成像分辨率。
[0006] 將菲涅耳波帶片與光學(xué)天線相結(jié)合，利用菲涅耳波帶片的聚焦特性，使其取代傳 統(tǒng)的聚焦透鏡。利用其衍射特性產(chǎn)生暗中空光束，可有效避天線次鏡中屯、部分反射存在的 能量損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有光學(xué)天線存在的不足，解決天線次鏡中屯、能量損耗的關(guān)鍵技術(shù)問 題，給出了一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)主要由菲涅耳波 帶片和卡塞格倫天線構(gòu)成，可有效提高光通信發(fā)射天線的傳輸效率，且易于實(shí)現(xiàn)光通信發(fā) 射系統(tǒng)的小型集成化。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案可分如下兩方面概括:一方面，對產(chǎn)生暗中空光束的菲涅 耳波帶片進(jìn)行設(shè)計(jì);另一方面，將菲涅耳波帶片應(yīng)用到卡塞格倫天線系統(tǒng)中，形成接近衍射 極限的高精度準(zhǔn)直激光束，有效提高光通信發(fā)射天線系統(tǒng)的發(fā)射精度和傳輸效率。
[0009] 本發(fā)明中的菲涅耳波帶片設(shè)計(jì)是基于基爾霍夫衍射理論，圓形菲涅耳波帶片由透 光和不透過的波帶相間組成，固定在天線拋物面主鏡的中屯、圓孔內(nèi)，對入射平面波進(jìn)行聚 焦，主焦點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的左焦點(diǎn)重合。基于平面屏幕衍射的基爾霍夫理論，分析菲涅 耳波帶片在平面光垂直入射情況下的會聚性能與離焦衍射光強(qiáng)分布，確定最佳的波帶片參 數(shù)，使天線次鏡處的光斑中屯、為暗斑。
[0010] 本發(fā)明中的光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于矢量反射定理，建立Ξ維天線反射面 與矢量光線模型，利用MA化AB程序?qū)饩€在天線中的空間傳輸進(jìn)行Ξ維追跡，對天線結(jié)構(gòu) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最佳的光束準(zhǔn)直效果和空屯、比。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2為平面波照射圓形菲涅耳光波帶片原理圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的1550nm菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)仿真圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的菲涅耳波帶片離焦衍射光強(qiáng)計(jì)算原理圖。
[0015] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的子午面內(nèi)光束傳輸仿真 圖。
[0016] 圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的弧矢面內(nèi)光束傳輸仿真 圖。
[0017] 圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)中次鏡附近的Ξ維離焦光斑 仿真圖。
[0018] 圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)中次鏡附近的二維離焦光斑 與能量分布仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步闡述和說明本發(fā)明。
[0020] 圖1所示，為本發(fā)明一種菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)由一個(gè)振幅型 菲涅耳波帶片和卡塞格倫光學(xué)天線構(gòu)成。圓形菲涅耳波帶片固定在天線主鏡的中屯、圓孔 內(nèi)，準(zhǔn)直后的平面光波入射到菲涅耳波帶片后聚焦，主焦點(diǎn)與次鏡左焦點(diǎn)重合，在次鏡處產(chǎn) 生暗中空光束，經(jīng)光學(xué)天線傳輸后形成準(zhǔn)直空屯、光束。
[0021] 圖2所示，平面波照射圓形菲涅耳光波帶片原理圖。波帶片是由一組透光與不透光 的同屯、圓環(huán)交替間隔組成的特殊光柵，相鄰環(huán)帶的對應(yīng)兩點(diǎn)到Po點(diǎn)的光程差為λ/2,圓環(huán)半 徑滿足：
[0022] 式中rn為第η個(gè)圓環(huán)的半徑，λ為入射平面波的波長，f為波帶片的主焦距。光波越 長，其焦距越短。
[0023] 圖3所示，本發(fā)明一種實(shí)施例的菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)仿真圖。在透明玻璃平板上制作 明暗交替的波帶片，其中奇數(shù)半波帶涂黑，偶數(shù)半波帶透光（中屯、為不透光半波帶）。入射平 面波的波長為1550皿，菲涅耳波帶片的半徑為10mm，主焦距為100mm，透光半波帶和不透光 半波帶合計(jì)64條。
[002