基于标量衍射的星间相干激光通信外差效率研究_丁科

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1、《半导体光电》２０１６年２月第３７卷第１期丁科等：基于标量衍射的星间相干激光通信外差效率研究光通信基于标量衍射的星间相干激光通信外差效率研究丁科１，２，李晓峰３，赵华１，２（１．中国科学院光束控制重点实验室，成都６１０２０９；２．中国科学院光电技术研究所，成都６１０２０９；３．电子科技大学空天科学技术研究院，成都６１００５４）摘要：针对本振光为高斯分布，接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况，首先对高斯和

2、艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率：当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为１．７１９时，最大外差效率为８１．４５％；然后介绍了光的标量衍射和Ｚｅｒｎｉｋｅ像差理论，分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件，计算了平面、高斯、艾里光场和Ｚｅｒｎｉｋｅ像差的采样要求，对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真，分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响，结果表明：各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差；３ｄＢ外差效率损失对应相干系统的指标

3、为跟踪误差优于１μｒａｄ（ＲＭＳ），组合波像差优于０．１λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。关键词：星间相干激光通信；标量衍射；泽尼克像差；本振光；外差效率中图分类号：ＴＮ９２９．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８６８（２０１６）０１－００９５－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｅｔｅｒｏｄｙｎｅＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＩｎｔｅｒ－ｓａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｈｅｒｅｎｔＬａｓｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＳｃａｌａｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ１，２，ＬＩＸｉａ

4、ｏｆｅｎｇ３，ＺＨＡＯＨｕａ１，２ＤＩＮＧＫｅ（１．ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＢｅａｍＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２０９，ＣＨＮ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２０９，ＣＨＮ；３．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇ

5、ｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，ＣＨＮ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ，ａｓｓｕｍｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｗａｖｅｏｂｅｙｓｇａｕｓｓｉａｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎａｌｗａｖｅｏｂｅｙｓａｉｒｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏａｃｑｕｉｒｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｒａｔｉｏｎｏｆａｉｒｙｓｐｏｔｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｇａｕｓ

6、ｓｉａｎｓｐｏｔｗａｉｓｔｄｉａｍｅｔｅｒｉｓ１．７１９，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓ８１．４５％．Ｓｅｃｏｎｄ，ｓｃａｌａｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄＺｅｒｎｉｋｅａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓｔｈｅｏｒｙｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｔｈａｔＦｒａｎｕｈｏｆｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｃｏｈｅｒｅｎｔｆｏｃｕｓｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｐｌａｎａｒ，ｇａｕｓｓｉａｎ

7、ａｎｄａｉｒｙｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ：ｔｉｐ／ｔｉｌｔ，ｄｅｆｏｃｕｓ，ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ，ｃｏｍａ，ｓｐｈｅｒｉｃａｌａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ＇ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｏｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｒｏｍｌｏ

8、ｗｔｏｈｉｇｈｉｓａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ，ｔｉｐ／ｔｉｌｔ，ｄｅｆｏｃｕｓ，ｃｏｍａａｎｄｓｐｈｅｒｉｃａｌ；３ｄＢｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｌｏｓｓｍｅａｎｓｔｈａｔｔｒａｃｋｉｎｇｅｒｒｏｒｓｈｏｕｌｄｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ１μｒａｄ（ＲＭＳ）ａｎｄｗａｖｅ－ｆｒｏｎｔｅｒｒｏｒｓｈｏｕｌｄｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ０．１λｆｏｒａｃｏｈｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｕｓｔｈｉｓｓｔｕｄｙｈａｓｓｏｍｅ