一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置及方法

1.本发明属于激光通讯领域，特别是涉及一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置及方法。


背景技术：

2.空间激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强的特点，但由于通信激光束散角较小，很难实现广播式的一对多同时通信。为了解决激光通信一对多同时通信和组网的需求，国内外均开展了相关技术和方法的研究，但相关研究成果较少。国内姜会林提出了基于旋转抛物面光学原理的一对多同时激光通信方法，可在空间大范围内实现一对多同时激光通信，在此基础上孟立新等设计了基于单摆镜拼接的一对多激光通信apt机构，可在一个光学天线的基础上实现对多个目标的跟踪和对准。但是，上述方案由于原理和结构限制，其要求光学天线口径要可以覆盖所有单摆镜，而天线口径较大会存在光学利用率低的问题。在国外，美国nasa开发了全向激光通信终端，其创新的提出了球形设计，可在近全周范围内实现与多目标的激光通信，但其结构只是将多个独立天线集成在球形结构上，存在结构尺寸大，天线口径小的缺点。
3.液晶光栅具有存在0级、+1级和
‑
1级三个衍射级次的特点，当入射光线为圆偏振光时其出射光发生+1或
‑
1级衍射，出射光束方向发生固定角度偏转。+1或
‑
1衍射方向沿入射光轴左右对称，并且根据圆偏振光偏振方向不同，左旋偏振光和右旋偏振光经过液晶光栅后将会分别出现在+1和
‑
1级衍射方向上。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置及方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置，它包括第一激光收发单元、第二激光收发单元、第一偏振片、第二偏振片、分光片、光学天线、液晶光栅、第一二维单摆镜和第二二维单摆镜，所述第一激光收发单元和第二激光收发单元的光轴在空间上成90
°
布置，所述第一偏振片安装在第一激光收发单元的前端，第一偏振片镜面法线与第一激光收发单元光轴同轴，所述第二偏振片安装在第二激光收发单元的前端，第二偏振片镜面法线与第二激光收发单元光轴同轴，所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向相反，所述分光片反射面安装在第一激光收发单元和第二激光收发单元的光轴交点处，所述光学天线安装在分光片的前端，所述光学天线的光轴与第一激光收发单元和第二激光收发单元的激光经过分光片合束后的光轴同轴，所述液晶光栅安装在光学天线前端，所述液晶光栅的0级衍射光轴与光学天线的光轴方向同轴，所述第一二维单摆镜和第二二维单摆镜安装在液晶光栅前端。
6.更进一步的，所述第一偏振片和第二偏振片均为圆偏振片。
7.更进一步的，所述第一偏振片为左旋偏振片，所述第二偏振片为右旋偏振片。
8.更进一步的，所述分光片为波长分光片。
9.更进一步的，所述第一二维单摆镜和第二二维单摆镜均设置有二维调整机构。
10.更进一步的，所述第一激光收发单元发射波长1530nm，接收波长1550nm。
11.更进一步的，所述第二激光收发单元发射波长830nm，接收波长850nm。
12.更进一步的，所述光学天线的口径为100mm，所述液晶光栅的直径为100mm，偏转角度15
°
。
13.更进一步的，所述第一二维单摆镜和第二二维单摆镜方位转动角度
±
90
°
，俯仰转动角度
±
10
°
。
14.本发明还提供了一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置的通讯方法，它包括以下步骤：
15.步骤1：第一激光收发单元和第二激光收发单元发射激光；
16.步骤2：第一激光收发单元和第二激光收发单元发射的激光分别经过第一偏振片和第二偏振片后形成左旋偏振光和右旋偏振光；
17.步骤3：左旋偏振光和右旋偏振光经过分光片合束后进入光学天线；
18.步骤4：光学天线对光束进行整形后发射，照射到液晶光栅上；
19.步骤5：液晶光栅发生+1级衍射和
‑
1级衍射后形成两束独立光束分别照射在第一二维单摆镜和第二二维单摆镜反射面上反射；
20.步骤6：通过二维调整机构调整第一二维单摆镜和第二二维单摆镜的角度，分别独立改变两束光的方向；
21.步骤7：第一二维单摆镜和第二二维单摆镜反射的光分别被参数匹配的两个独立目标接收，形成光链路；
22.步骤8：根据光路可逆，两个独立目标发射的参数匹配的激光经第一二维单摆镜和第二二维单摆镜反射后经过液晶光栅合束并被光学天线接收；
23.步骤9：接收光经光学天线缩束后经分光片按波长分光后，分别经过第一偏振片和第二偏振片被第一激光收发单元和第二激光收发单元接收；
24.步骤10：第一激光收发单元和第二激光收发单元接收到激光后形成光闭环，即分别与两个对立目标进行一对二同时激光通信。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有激光通讯方式难以实现一对多同时通信和组网的问题。为了满足激光通信系统光轴捕获对准的需求设计了本发明方案，本发明利用液晶光栅对左旋和右旋的圆偏振光会产生方向对称的两个方向的偏转光的原理，对同一天线的两束激光偏转不同角度，结合两面二维单摆镜可在大范围内实现一点对两点同时激光通信。该方案的优势是可以缩小光学天线口径，不必要求天线口径一定覆盖所有二维单摆镜，在不额外增加天线口径的基础上，实现大范围一对二激光通信，有效提高系统的光学效率，减小系统体积和重量。
附图说明
26.图1为本发明所述的一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置结构示意图；
[0027]1‑
第一激光收发单元，2
‑
第二激光收发单元，3
‑
第一偏振片，4
‑
第二偏振片，5
‑
分
光片，6
‑
光学天线，7
‑
液晶光栅，8
‑
第一二维单摆镜，9
‑
第二二维单摆镜。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
[0029]
参见图1说明本实施方式，一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置，它包括第一激光收发单元1、第二激光收发单元2、第一偏振片3、第二偏振片4、分光片5、光学天线6、液晶光栅7、第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9，所述第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的光轴在空间上成90
°
布置，所述第一偏振片3安装在第一激光收发单元1的前端，第一偏振片3镜面法线与第一激光收发单元1光轴同轴，所述第二偏振片4安装在第二激光收发单元2的前端，第二偏振片4镜面法线与第二激光收发单元2光轴同轴，所述第一偏振片3和第二偏振片4的偏振方向相反，所述分光片5反射面安装在第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的光轴交点处，所述光学天线6安装在分光片5的前端，所述光学天线6的光轴与第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的激光经过分光片5合束后的光轴同轴，所述液晶光栅7安装在光学天线6前端，所述液晶光栅7的0级衍射光轴与光学天线6的光轴方向同轴，所述第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9安装在液晶光栅7前端。
[0030]
本实施例所述第一偏振片3和第二偏振片4均为圆偏振片，所述第一偏振片3为左旋偏振片，所述第二偏振片4为右旋偏振片，所述分光片5为波长分光片，将第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的激光按波长分开，所述分光片5反射面安装在第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的光轴交点处，保证第一激光收发单元1和第二激光收发单元2的激光经过分光片5后合束为一束同轴光束。第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9可分别反射液晶光栅7的+1级衍射方向光束和
‑
1级衍射方向光束。所述第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9均设置有二维调整机构，摆镜可在空间上进行二维角度调整，改变反射光角度。
[0031]
工作时，第一激光收发单元1和第二激光收发单元2发射激光，激光分别经过第一偏振片3和第二偏振片4后形成左旋偏振光和右旋偏振光，两束偏振光经过分光片5合束后进入光学天线6，光学天线6对光束进行整形后发射。光学天线6发射的光束照射到液晶光栅7后，左旋偏振光和右旋偏振光分别形成+1级衍射和
‑
1级衍射，两束偏振光分别发生与入射光轴左右对称的偏转，形成角度对称的两束独立光束。发生偏转后的两束独立光束分别照射在第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9的反射面上形成反射。此时，通过第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9自带的二维调整机构改变单摆镜角度即可分别独立改变两束光的方向，可分别对两个目标进行通信。当接收对方发射激光时，其光路与发射时相反，根据光路可逆原理，对方通信终端发射的偏振光分别经第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9反射后经过液晶光栅7合束为同轴光束入射到光学天线6中，经过光学天线6缩束后照射到分光片5上，分光片5对不同波段光进行分光，分别经过第一偏振片3和第二偏振片4后被第一激光收发单元1和第二激光收发单元2接收。
[0032]
本实施例为一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置的通讯方法，它包括以下步骤：
[0033]
步骤1：第一激光收发单元1和第二激光收发单元2发射激光；
[0034]
步骤2：第一激光收发单元1和第二激光收发单元2发射的激光分别经过第一偏振
片3和第二偏振片4后形成左旋偏振光和右旋偏振光；
[0035]
步骤3：左旋偏振光和右旋偏振光经过分光片5合束后进入光学天线6；
[0036]
步骤4：光学天线6对光束进行整形后发射，照射到液晶光栅7上；
[0037]
步骤5：液晶光栅7发生+1级衍射和
‑
1级衍射后形成两束独立光束分别照射在第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9反射面上反射；
[0038]
步骤6：通过二维调整机构调整第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9的摆动角度，分别独立改变两束光的方向；
[0039]
步骤7：第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9反射的光分别被参数匹配的两个独立目标接收，形成光链路；
[0040]
步骤8：根据光路可逆，两个独立目标发射的参数匹配的激光经第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9反射后经过液晶光栅7合束并被光学天线6接收；
[0041]
步骤9：接收光经光学天线6缩束后经分光片5按波长分光后，分别经过第一偏振片3和第二偏振片4被第一激光收发单元1和第二激光收发单元2接收；
[0042]
步骤10：第一激光收发单元1和第二激光收发单元2接收到激光后形成光闭环，即分别与两个对立目标进行一对二同时激光通信。
[0043]
通过以上方法即可实现一个终端同时与两个目标进行激光通信，通信时要求通信终端的偏振态和通信激光波长要与终端匹配，此方案不要求天线口径必须覆盖所有二维单摆镜，可有效减小天线口径。
[0044]
本实施例第一激光收发单元1发射波长1530nm，接收波长1550nm通过波长分光；第二激光收发单元2发射波长830nm，接收波长850nm通过波长分光；分光片5反射1550nm波段激光，透射800nm波段激光；光学天线6的口径为100mm，液晶光栅7的直径为100mm，偏转角度15
°
；第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9方位转动角度
±
90
°
，俯仰转动角度
±
10
°
，各部件通过机械结构连接为一个整体结构。
[0045]
使用时包括以下步骤：
[0046]
步骤1：第一激光收发单元1发射1530nm激光，第二激光收发单元2发射830nm激光；
[0047]
步骤2：第一激光收发单元1发射激光经过第一偏振片3后转换为左旋偏振光，第二激光收发单元2发射激光经过第二偏振片4后形成右旋偏振光；
[0048]
步骤3：左旋偏振光和右旋偏振光经过分光片5合束后进入光学天线6；
[0049]
步骤4：光学天线6对光束进行整形后发射，照射到液晶光栅7上；
[0050]
步骤5：1530nm激光发生+1级衍射偏转+15
°
后照射在第一二维单摆镜8上，830nm激光发生
‑
1级衍射偏转
‑
15
°
后照射在第二二维单摆镜9上；
[0051]
步骤6：第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9分别通过二维调整机构独立做方位俯仰转动，改变1530nm和830nm光束的方向；
[0052]
步骤7：接收波长为1530nm和830nm的两个独立目标分别接收到第一二维单摆镜8和第二二维单摆镜9反射的激光，形成光链路；
[0053]
步骤8：与第一二维单摆镜8对应的独立目标发射1550nm左旋偏振光，与第二二维单摆镜9对应的独立目标发射850nm右旋偏振光，激光经第一二维单摆镜8、第二二维单摆镜9反射后经过液晶光栅7合束被光学天线6接收；
[0054]
步骤9：接收光经光学天线6缩束后经分光片5按波长分光，1550nm激光反射到第一
偏振片3上，被第一激光收发单元1接收，850nm激光透射射到第二偏振片4上，被第二激光收发单元2接收；
[0055]
步骤10：第一激光收发单元1和第二激光收发单元2接收到激光后形成光闭环，然后分别于两个对立目标进行一对二同时激光通信。
[0056]
通过以上步骤，完成同时与两个目标在俯仰
±
30
°
、方位
±
180
°
范围内的一对二同时激光通信。
[0057]
以上对本发明所提供的一种基于液晶光栅和单摆镜的一对二激光通信装置及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。