強(qiáng)激光在大氣遠(yuǎn)距離傳輸與控制課件

強(qiáng)激光在大氣遠(yuǎn)距離傳輸與控制激光工程研究院2012年12月06日提綱一.激光中繼傳輸系統(tǒng)簡介二.激光中繼傳輸系統(tǒng)組成三.激光中繼傳輸系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)四.激光中繼傳輸系統(tǒng)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)激光中繼傳輸系統(tǒng)簡介為了減少激光在大氣傳輸過程中的光斑擴(kuò)展，提高激光的光束質(zhì)量，避免傳輸路徑上障礙物的遮擋，可以考慮采用激光中繼傳輸。中繼系統(tǒng)接收地面激光器發(fā)射來的激光，同時(shí)對其進(jìn)行校正，然后根據(jù)需要將激光重定向到另一位置。激光中繼傳輸系統(tǒng)組成中繼鏡系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)方案為單鏡結(jié)構(gòu)，即中繼鏡系統(tǒng)由一臺(tái)光學(xué)耦合望遠(yuǎn)鏡、跟蹤與瞄準(zhǔn)等部分組成，望遠(yuǎn)鏡既用于光束的耦合接收又用于光束的瞄準(zhǔn)發(fā)射。中繼鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案由單鏡結(jié)構(gòu)發(fā)展為雙焦結(jié)構(gòu)。雙焦中繼鏡系統(tǒng)由兩臺(tái)光學(xué)耦合望遠(yuǎn)鏡、對準(zhǔn)系統(tǒng)、光束校正與凈化裝置、控制處理系統(tǒng)、視軸穩(wěn)定系統(tǒng)等部分組成，可分為對準(zhǔn)接收、光束校正與凈化、瞄準(zhǔn)與發(fā)射三大模塊。兩臺(tái)光學(xué)耦合望遠(yuǎn)鏡一臺(tái)為接收望遠(yuǎn)鏡，用于對準(zhǔn)并接收來自激光源的入射光束；另一臺(tái)為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，用于將經(jīng)光束校正與凈化系統(tǒng)校正與凈化后的激光束瞄準(zhǔn)發(fā)射到目標(biāo)上。目前在實(shí)驗(yàn)研究中均采用雙焦結(jié)構(gòu)的中繼鏡系統(tǒng)。雙焦中繼鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙焦中繼鏡系統(tǒng)理想條件下激光通過中繼鏡傳輸示意圖激光中繼傳輸系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)激光中繼鏡系統(tǒng)由高功率激光源、中繼鏡系統(tǒng)和必要的地面和通信線路組成。中繼鏡系統(tǒng)則置于高空平臺(tái)上，包括高空氣艇、無人機(jī)、太空衛(wèi)星。激光中繼鏡系統(tǒng)的工作過程為：高能激光源向位于空中的中繼鏡系統(tǒng)發(fā)射激光束，經(jīng)中繼鏡系統(tǒng)的接收望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)接收后，由光束校正與凈化系統(tǒng)對光束進(jìn)行相位校正與凈化，提高光束質(zhì)量，再由瞄準(zhǔn)發(fā)射系統(tǒng)將激光束瞄準(zhǔn)發(fā)射到地面或空中的目標(biāo)上。全反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

將望遠(yuǎn)鏡用于激光的擴(kuò)束、縮束、接收和發(fā)射，可以將準(zhǔn)直進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的激光準(zhǔn)直射出，因此在激光傳輸上也常將次鏡用拋物面，且次鏡的焦點(diǎn)和主鏡的焦點(diǎn)重合。雙拋物面全反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收望遠(yuǎn)鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的對接方式主要有共焦點(diǎn)對接和準(zhǔn)直對接。

接收和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡共焦點(diǎn)對接示意圖接收和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡共焦點(diǎn)對接示意圖中繼鏡光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括上下兩個(gè)可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的部分。上部分為發(fā)射系統(tǒng)，下部分為接收系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)共同軸連接(也可以不共軸)，接收望遠(yuǎn)鏡與激光源的對準(zhǔn)，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與目標(biāo)的對準(zhǔn)有各自的跟蹤系統(tǒng)完成。在接收和發(fā)射系統(tǒng)之間，有一個(gè)光束凈化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室模擬中繼鏡系統(tǒng)光路簡圖中繼鏡的接收望遠(yuǎn)鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡均可以繞各自的方位軸和俯仰軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)中繼鏡與目標(biāo)或地面發(fā)射系統(tǒng)一定范圍的動(dòng)態(tài)鏈接。沿方位軸的旋轉(zhuǎn)保證了中繼鏡水平方向360°的指向，沿俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證垂直方向一定角度的指向。具體的工作過程：1、中繼鏡發(fā)射系統(tǒng)向地面發(fā)射跟蹤信標(biāo)，同時(shí)接收地面發(fā)射來的跟蹤信標(biāo)。地面發(fā)射望遠(yuǎn)鏡依據(jù)中繼鏡提供的跟蹤信標(biāo)(點(diǎn)光源)實(shí)現(xiàn)與中繼鏡接收望遠(yuǎn)鏡的對準(zhǔn)；中繼鏡接收系統(tǒng)的PSD(位置探測器)通過對地面目標(biāo)信標(biāo)的探測，控制FSM(快速傾斜鏡)，實(shí)現(xiàn)地面信標(biāo)光與中繼鏡光軸共軸。2、中繼鏡接收系統(tǒng)向地面發(fā)射自適應(yīng)信標(biāo)光，地面發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)接收的自適應(yīng)信標(biāo)，控制發(fā)射主激光的波前，實(shí)現(xiàn)主激光上行傳輸?shù)南辔谎a(bǔ)償。3、主激光通過接收系統(tǒng)傳輸?shù)焦馐鴥艋到y(tǒng)，電動(dòng)調(diào)整鏡根據(jù)探測的波前傾斜控制傾斜鏡，哈特曼波前探測器(WFS)根據(jù)探測的波前畸變控制變形鏡，傾斜鏡和變形鏡的時(shí)時(shí)校正使通過凈化系統(tǒng)的激光得以凈化。初始激光的發(fā)射方式：從中繼鏡的使用目的上看，地面向中繼鏡發(fā)射激光主要有三種方式，即聚焦發(fā)射、準(zhǔn)直發(fā)射和直接聚焦發(fā)射。聚焦發(fā)射：地面激光器將激光聚焦發(fā)射到中繼鏡，然后由中繼鏡將該激光二次聚焦到目標(biāo)上，即所謂的二次聚焦發(fā)射。準(zhǔn)直發(fā)射：地面激光器將激光準(zhǔn)直發(fā)射到中繼鏡，中繼鏡再將接收的激光聚焦到目標(biāo)上。直接聚焦發(fā)射：地面激光器將激光通過中繼鏡直接聚焦發(fā)射到目標(biāo)上，中繼鏡相當(dāng)于平面鏡，只改變激光的傳輸方向。激光二次聚焦傳輸示意圖初始激光準(zhǔn)直發(fā)射示意圖初始激光直接發(fā)射示意圖激光中繼傳輸系統(tǒng)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)優(yōu)勢降低了大氣對激光的影響提高了系統(tǒng)的隱蔽生存能力與激光源的優(yōu)勢降低了對系統(tǒng)性能的要求挑戰(zhàn)高功率和高光束質(zhì)量激光源的研制、激光源對中繼鏡平臺(tái)的跟蹤瞄準(zhǔn)、接收望遠(yuǎn)鏡與激光源的對準(zhǔn)接收和穩(wěn)定。雙