一种新型菲涅耳光学天线发射系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光通信技术领域，具体为一种新型菲涅耳光学天线发射系统。
【背景技术】
[0002] 光学天线系统的主要作用为激光束扩束和进一步压缩发散角。光学天线是光通信
技术领域的关键性发射、接收子系统，高精度的准直技术与高传输效率是光学天线系统能 够实现远距离传输、高跟踪精度的重要保证。
[0003] 空间光通信通常设及多波长传输，广泛使用无色差的反射式系统（卡塞格伦型望 远镜)作为发射和接收天线，由于激光高斯光束在轴向传输过程中的大量能量汇集在中屯、 (光巧由上，天线次镜中屯、部分反射至主镜圆孔内的能量将无法传输，存在着较大的中屯、能 量损失，因此对远距离空间光通信系统的能量传输造成极大的影响。
[0004] NASA飞行研究中屯、早在1974年就进行了光通信传输光学天线增益研究。2006年， 日本东京国家通信技术研究所对高速光通信光学天线传输效率进行了研究。近年来法国开 展了新一代光子雷达天线研究，法国国防部研究的新一代光子带隙（PBG:photonic band gap)抛物状的天线结构可W极大提高天线的发射效率。2008年，Eberhard Karls 化iversity化bingen应用物理研究中屯、，在APL刊物上发表了关于Ξ维光学天线在近场显 微镜中的应用研究成果。2010年，University of Southern California的Los Angeles提 出了一种基于光子晶体带隙的新型结构光学天线。2013年，美国科学家对高指向增益的混 合结构光学天线进行了研究。
[0005] 波带片是一种重要的衍射光学器件，由Lord Rayleigh于1871年首次制作成功。 1898年，Wood开展了波带片在可见光照射下的研究工作，掲开了波带片作为一类新型光学 器件在光学领域的新篇章。1961年，Baez提出菲涅耳波带片可作为极紫外福射到软X射线运 一波段的成像元件，激起了人们对波带片的广泛重视。1972年，Rogers所在小组报道了菲涅 耳波带片在伽马射线成像方面的研究成果。1980年，Kearney等人利用波带片对中子实现了 聚焦和成像。1991年，Takuma实现了菲涅耳波带片对激发态化原子的聚焦。1999年，Doak的 研究小组实现了菲涅耳波带片对基态化原子的聚焦。近年来，由于在软X射线显微成像技术 方面的应用引人瞩目，波带片成为了一个研究热点。Maser,Schneider和Schmahl采用禪合 波分析法对波带片的衍射场分布作了数学逼近，数值解表明应用改善效率的较高衍射级将 提高其成像分辨率。
[0006] 将菲涅耳波带片与光学天线相结合，利用菲涅耳波带片的聚焦特性，使其取代传 统的聚焦透镜。利用其衍射特性产生暗中空光束，可有效避天线次镜中屯、部分反射存在的 能量损失。
【发明内容】
[0007] 本发明针对现有光学天线存在的不足，解决天线次镜中屯、能量损耗的关键技术问 题，给出了一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构。该光学天线发射系统主要由菲涅耳波 带片和卡塞格伦天线构成，可有效提高光通信发射天线的传输效率，且易于实现光通信发 射系统的小型集成化。
[0008] 本发明采用的技术方案可分如下两方面概括:一方面，对产生暗中空光束的菲涅 耳波带片进行设计;另一方面，将菲涅耳波带片应用到卡塞格伦天线系统中，形成接近衍射 极限的高精度准直激光束，有效提高光通信发射天线系统的发射精度和传输效率。
[0009] 本发明中的菲涅耳波带片设计是基于基尔霍夫衍射理论，圆形菲涅耳波带片由透 光和不透过的波带相间组成，固定在天线抛物面主镜的中屯、圆孔内，对入射平面波进行聚 焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合。基于平面屏幕衍射的基尔霍夫理论，分析菲涅 耳波带片在平面光垂直入射情况下的会聚性能与离焦衍射光强分布，确定最佳的波带片参 数，使天线次镜处的光斑中屯、为暗斑。
[0010] 本发明中的光学天线发射系统的设计是基于矢量反射定理，建立Ξ维天线反射面 与矢量光线模型，利用MA化AB程序对光线在天线中的空间传输进行Ξ维追迹，对天线结构 进行优化设计，得到最佳的光束准直效果和空屯、比。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明一种新型菲涅耳光学天线发射系统结构图。
[0012] 图2为平面波照射圆形菲涅耳光波带片原理图。
[0013] 图3为本发明一种实施例的1550nm菲涅耳波带片结构仿真图。
[0014] 图4为本发明实施例的菲涅耳波带片离焦衍射光强计算原理图。
[0015] 图5为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的子午面内光束传输仿真 图。
[0016] 图6为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统的弧矢面内光束传输仿真 图。
[0017] 图7为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统中次镜附近的Ξ维离焦光斑 仿真图。
[0018] 图8为本发明一种实施例的菲涅耳光学天线发射系统中次镜附近的二维离焦光斑 与能量分布仿真图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。
[0020] 图1所示，为本发明一种菲涅耳光学天线发射系统结构框图，该系统由一个振幅型 菲涅耳波带片和卡塞格伦光学天线构成。圆形菲涅耳波带片固定在天线主镜的中屯、圆孔 内，准直后的平面光波入射到菲涅耳波带片后聚焦，主焦点与次镜左焦点重合，在次镜处产 生暗中空光束，经光学天线传输后形成准直空屯、光束。
[0021] 图2所示，平面波照射圆形菲涅耳光波带片原理图。波带片是由一组透光与不透光 的同屯、圆环交替间隔组成的特殊光栅，相邻环带的对应两点到Po点的光程差为λ/2,圆环半 径满足：
[0022] 式中rn为第η个圆环的半径，λ为入射平面波的波长，f为波带片的主焦距。光波越 长，其焦距越短。
[0023] 图3所示，本发明一种实施例的菲涅耳波带片结构仿真图。在透明玻璃平板上制作 明暗交替的波带片，其中奇数半波带涂黑，偶数半波带透光（中屯、为不透光半波带）。入射平 面波的波长为1550皿，菲涅耳波带片的半径为10mm，主焦距为100mm，透光半波带和不透光 半波带合计64条。
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