4] 圖4所示，為本發(fā)明實施例的菲涅耳波帶片離焦衍射光強計算原理圖。圖中Σι為 波帶片透光的圓環(huán)面積，roi為波帶片上某點S到Ζ0位置處的觀察屏Σ2上觀察點Ρ之間的距 離。P點離Si足夠遠，滿足πη>>λ，于是有k<<l/m，其中k=2nA為波數(shù)。假設(shè)正入射平 面光波振幅為A，根據(jù)基爾霍夫積分公式推導(dǎo)出平行光正入射情況下觀察屏上P點處的光波 振幅為：
[0025]
[0026] 通過(3)式可計算出距離波帶片Z0的觀察屏上各點的強度，從而繪制出離焦光斑。
[0027] 圖5和圖6所示，為本發(fā)明一種實施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的光束傳輸仿真 圖。天線的旋轉(zhuǎn)拋物面主鏡口徑為150mm，旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的口徑為30mm，入射光波長為 1550nm。圓形菲涅耳波帶片位于天線拋物面主鏡的中屯、圓孔內(nèi)，對入射平面波進行聚焦，主 焦點與旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的左焦點重合，旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的右焦點與旋轉(zhuǎn)拋物面主鏡的焦點 重合，光束經(jīng)過光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)傳輸后為高精度準直空屯、激光束。
[0028] 圖7和圖8所示，為本發(fā)明一種實施例的菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)中次鏡附近的離 焦光斑與能量分布仿真圖。根據(jù)基爾霍夫衍射理論，利用MATLAB程序計算出天線次鏡頂點 處觀察平面內(nèi)各點的強度，繪制出離焦光斑。天線次鏡處產(chǎn)生的離焦光斑為空屯、光斑，中屯、 能量為零，該空屯、光束可有效避免光線經(jīng)天線次鏡反射至主鏡的過程中的中屯、能量損失， 從而提高天線的發(fā)射效率。
[0029] 本發(fā)明中采用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法是基于矢量反射定理，建立Ξ維天線反射面和 矢量光線的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB程序?qū)饩€在天線中的空間傳輸進行Ξ維追跡。具體步 驟為：1)建立各反射面的Ξ維參數(shù)方程，根據(jù)實際需求確定天線主次鏡的大小和顯示區(qū)域。 利用MATLAB程序繪制各曲面參數(shù)方程所對應(yīng)的Ξ維曲面;2)根據(jù)入射光線的方向余弦，建 立入射光線矢量方程，與次鏡反射面的方程聯(lián)合求解，獲得次鏡上各反射點的坐標(biāo)，繪制Ξ 維入射光線。再求出反射點處的次鏡法線方向余弦，根據(jù)矢量反射定理，求出次鏡反射光線 的方向余弦，繪制反射光線;3) W次鏡反射光線作為主鏡的入射光線，求出主鏡法線方向余 弦，根據(jù)矢量反射定理，求得主鏡的反射光線的方向余弦，并繪制出主鏡的反射光線;4)根 據(jù)主鏡的反射光線的方向余弦求得出射光線與主軸的夾角，繪制出空間發(fā)散角與光線位置 之間的關(guān)系；5)利用出射光線與觀察平面交點的坐標(biāo)繪制出光斑點列圖，根據(jù)高斯光束能 量計算公式獲得觀察平面內(nèi)的能量分布。
【主權(quán)項】
1. 一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于利用菲涅耳波帶片對入射平面波進 行聚焦，產(chǎn)生暗中空光束，經(jīng)光學(xué)天線傳輸后變換為準直空心光束，提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射 天線的發(fā)射精度和傳輸效率。主要分為圓形菲涅耳波帶片和卡塞格倫發(fā)射天線兩部分;其 中圓形菲涅耳波帶片固定在卡塞格倫天線主鏡的中心圓孔內(nèi)，準直后的平面光波入射到菲 涅耳波帶片后聚焦;菲涅耳波帶片的主焦點與卡塞格倫天線次鏡左焦點重合，在次鏡處產(chǎn) 生暗中空光束，經(jīng)光學(xué)天線傳輸后形成準直空心光束。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工難度較低，減小 了系統(tǒng)裝配的復(fù)雜度，且準直精度高，可作為光通信系統(tǒng)中的發(fā)射天線系統(tǒng)，有效避免傳統(tǒng) 光學(xué)天線次鏡中心對高斯光束的部分反射所造成的能量損失，提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線 的發(fā)射精度和傳輸效率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于所述圓形菲 涅耳波帶片為在透明玻璃平板上制作的特殊光柵，由透光與不透光的同心圓環(huán)交替間隔組 成，其中奇數(shù)半波帶不透光，偶數(shù)半波帶透光（中心為不透光半波帶）。入射平面波的波長為 1550nm，菲涅耳波帶片的半徑為10mm，主焦距為100mm，透光半波帶和不透光半波帶數(shù)目合 計64條。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于所述的圓形 菲涅耳波帶片，對入射平面波進行聚焦?；谄矫嫫聊谎苌涞幕鶢柣舴蚶碚?，分析菲涅耳波 帶片在平面光垂直入射情況下的會聚性能與離焦衍射光強分布。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于所述的卡塞 格倫天線的旋轉(zhuǎn)拋物面主鏡口徑為150mm，旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的口徑為30mm。天線主鏡中心開 孔位置與權(quán)利要求2所述的圓形菲涅耳波帶片平面相粘合，確定最佳的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算 菲涅耳波帶片在平面光垂直入射情況下的離焦衍射光強分布，使天線次鏡處的光斑中心為 暗斑，中心能量為零，該空心光束在天線中傳輸，可有效避免光線經(jīng)天線次鏡反射至主鏡的 過程中的中心能量損失，從而提高天線的發(fā)射效率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于所述的卡塞 格倫天線的旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡左焦點與權(quán)利要求2所述的圓形菲涅耳波帶片的主焦點重合， 旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的右焦點與卡塞格倫天線的旋轉(zhuǎn)拋物面主鏡的焦點重合，光束經(jīng)過光學(xué)天 線發(fā)射系統(tǒng)傳輸后為高精度準直空心激光束，該準直空心光束的發(fā)散角理論上可突破衍射 極限。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于所述卡塞格 倫天線系統(tǒng)的設(shè)計是基于矢量反射定理，建立三維反射面與矢量光線模型，利用MATLAB程 序?qū)鈱W(xué)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)設(shè)計，對光線在光學(xué)天線系統(tǒng)中的空間傳輸進行仿真分 析。
【專利摘要】本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種新型菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)。菲涅耳光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)由一個振幅型菲涅耳波帶片和卡塞格倫光學(xué)天線構(gòu)成。本發(fā)明所采用的菲涅耳波帶片由透光和不透光的波帶相間組成，位于天線拋物面主鏡的中心圓孔內(nèi)，對入射平面波進行聚焦，主焦點與旋轉(zhuǎn)雙曲面次鏡的左焦點重合，在次鏡處產(chǎn)生的光斑中心為暗斑，可有效避免光線經(jīng)天線次鏡在反射至主鏡的過程中存在較大的中心能量損失。光束先后經(jīng)次鏡和主鏡反射后，產(chǎn)生準直空心光束在自由空間傳輸。本發(fā)明主要解決傳統(tǒng)光學(xué)天線中次鏡中心能量損耗的關(guān)鍵技術(shù)問題，有助于提高光通信系統(tǒng)中發(fā)射天線的傳輸效率和發(fā)射精度，且易于實現(xiàn)光通信發(fā)射系統(tǒng)的小型集成化。
【IPC分類】G02B17/08, H01Q19/10, G02B27/00
【公開號】CN105629449
【申請?zhí)枴緾N201610037807
【發(fā)明人】江萍, 楊華軍, 李軍
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月20日