強激光在大氣遠距離傳輸與控制課件

強激光在大氣遠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)初步設計四.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，同時對其進行校正，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)最初設計方案為單鏡結(jié)構(gòu)，即中繼鏡系統(tǒng)由一臺光學耦合望遠鏡、跟蹤與瞄準等部分組成，望遠鏡既用于光束的耦合接收又用于光束的瞄準發(fā)射。中繼鏡系統(tǒng)的設計方案由單鏡結(jié)構(gòu)發(fā)展為雙焦結(jié)構(gòu)。雙焦中繼鏡系統(tǒng)由兩臺光學耦合望遠鏡、對準系統(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，可分為對準接收、光束校正與凈化、瞄準與發(fā)射三大模塊。兩臺光學耦合望遠鏡一臺為接收望遠鏡，用于對準并接收來自激光源的入射光束；另一臺為發(fā)射望遠鏡，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發(fā)射到目標上。目前在實驗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)初步設計激光中繼鏡系統(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)則置于高空平臺上，包括高空氣艇、無人機、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)的接收望遠鏡對準接收后，由光束校正與凈化系統(tǒng)對光束進行相位校正與凈化，提高光束質(zhì)量，再由瞄準發(fā)射系統(tǒng)將激光束瞄準發(fā)射到地面或空中的目標上。全反射望遠鏡系統(tǒng)

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

接收和發(fā)射望遠鏡共焦點對接示意圖接收和發(fā)射望遠鏡共焦點對接示意圖中繼鏡光學實驗平臺包括上下兩個可以獨立旋轉(zhuǎn)的部分。上部分為發(fā)射系統(tǒng)，下部分為接收系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)由一個共同軸連接(也可以不共軸)，接收望遠鏡與激光源的對準，發(fā)射望遠鏡與目標的對準有各自的跟蹤系統(tǒng)完成。在接收和發(fā)射系統(tǒng)之間，有一個光束凈化系統(tǒng)。實驗室模擬中繼鏡系統(tǒng)光路簡圖中繼鏡的接收望遠鏡和發(fā)射望遠鏡均可以繞各自的方位軸和俯仰軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)中繼鏡與目標或地面發(fā)射系統(tǒng)一定范圍的動態(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，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，同時接收地面發(fā)射來的跟蹤信標。地面發(fā)射望遠鏡依據(jù)中繼鏡提供的跟蹤信標(點光源)實現(xiàn)與中繼鏡接收望遠鏡的對準；中繼鏡接收系統(tǒng)的PSD(位置探測器)通過對地面目標信標的探測，控制FSM(快速傾斜鏡)，實現(xiàn)地面信標光與中繼鏡光軸共軸。2、中繼鏡接收系統(tǒng)向地面發(fā)射自適應信標光，地面發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)接收的自適應信標，控制發(fā)射主激光的波前，實現(xiàn)主激光上行傳輸?shù)南辔谎a償。3、主激光通過接收系統(tǒng)傳輸?shù)焦馐鴥艋到y(tǒng)，電動調(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時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上，即所謂的二次聚焦發(fā)射。準直發(fā)射：地面激光器將激光準直發(fā)射到中繼鏡，中繼鏡再將接收的激光聚焦到目標上。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)射到目標上，中繼鏡相當于平面鏡，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的跟蹤瞄準、接收望遠鏡與激光源的對準接收和穩(wěn)定。雙