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卫星光通信中基于二元光学元件的信标光接收技术研究

李宣娇  
【摘要】:卫星光通信(Inter-satellite Optical Communications,IOC)是一种以激光作为信息载体在卫星间进行高速数据传输的通信方式。随着通信技术向高速率、大容量的发展,IOC已成为现代大容量空间通信领域的一个重要研究方向,越来越多的国家相继开展了该方向的研究,其中实现光通信终端的小型化、轻量化的设计一直是卫星光通信的研究热点。由于二元光学元件(BOE,BinaryOptical Element)具有体积小、重量轻、易于复制等诸多优点,将该技术应用到IOC系统中也逐渐引起了重视。 本文以IOC信标光接收系统为研究对象,提出了用BOE替代传统的信标光接收聚焦系统,设计了一种BOE可实现将信标光束聚焦到CCD位置探测器,并根据捕获、跟踪中信标光聚焦光学系统的设计指标评价了元件性能。 基于标量衍射理论,利用改进的算法AA算法设计了聚焦BOE的相位函数,并对设计得到的相位函数进行了仿真验证,分析了光束入射角对其输出光场的影响。 结合几何光线追迹方法,以标量衍射方法设计的BOE相位函数为初始结构,对聚焦BOE进行了优化设计,给出了设计结果和工艺参数,并分析了不同视场角下BOE的光学性能。结果表明该方法设计得到的聚焦BOE在1°视场的应用条件下具有良好的成像质量。 针对设计的聚焦BOE,本文结合极坐标激光直写加工工艺,仿真分析了刻蚀台阶数、刻蚀深度误差和台阶宽度误差对元件输出光场的影响,为加工高性能BOE元件打下理论基础。 本文的研究工作对推导IOC接收光学系统向小型化和轻量化的发展具有重要意义。


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