反常声光偏转器收发光路的可逆性研究

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1、载人航天2011年第l期基础研究反常声光偏转器收发光路的可逆性研究马晶王健韩琦琦谭立英付森宋义伟(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国防科技重点实验室)摘要提出了一种卫星光通信终端中反常声光偏转器(反常AOD)的工作方式。基于反常布拉格衍射几何关系，获得了非宽带匹配模式下的Dixon方程，设计了收发光路可逆性实验验证系统。实验结果表明，反常AOD收发光路可逆。关键词反常声光偏转器宽带匹配模式非宽带匹配模式收发光路可逆分类号0436文献标识码A文章编号1674—5825(2011)0l一0040—051引言目前卫星光通信终端的瞄准捕获跟

2、踪(PAT)系统大多采用粗精瞄复合式执行机构，其中机械二维转台作为粗瞄单元提供光束大角度偏转功能；精瞄镜(FSM)作为精瞄单元提供光束高速精确偏转功能。激光在大气中传输时，大气湍流所引起光斑随机抖动的频率可达lkHz量级。若要对光斑抖动进行有效的补偿，需要光束跟踪控制环路的带宽高一个数量级，但FSM的带宽只有1kHz左右，难以满足这一要求。因此，将具有更高带宽、更高精度的光束偏转器件一反常AOD引入PAT系统中替代FsM，将有利于提高系统的闭环带宽、减小跟踪误差。而且反常AOD的偏转范围可达几十毫弧度，在某些无需大角度偏转的特定

3、使用环境中，反常AOD甚至可以同时替代体积重量较大且存在机械惯性的二维转台，这样n”系统结构和控制算法都将得到简化。由于FsM(二维转台)对光束的作用就是平面镜反射，所以只要保证位置探测器与光源共轴，即可保证卫星光通信终端的收发共轴，即：如果接收光经过FsM后能够成在探测器中心，则本体光源的发射光反向经过FsM后也一定会中心覆盖对方。但是反常AOD偏转光束的实质是晶体内的声光互作用，并且不遵守入射角等于衍射角的定律。因此反常AOD在终端光路中是否会对收发共轴产生影响取决于其收发光路是否可逆。当前关于AOD在卫星光通信方面的应用研

4、究多集中在动态性能分析(打靶实验)【11，适用于发射光路闭；对于接收光路的情况，文献【3】分析了将反常AOD放置在接收光路中时，超声波方向、入射光角度、衍射光角度与声波频率之间的关系。但该分析仍然是基于接收光取慢模，使反常AOD工作于宽带匹配模式，缺点是接收视场角较小。本文从卫星光通信终端发射光偏转范围大以及接收视场角大的需求出发，提出一种反常AOD的工作方式，即发射光取慢模，接收光取快模。这样，分析这种工作模式下的反常AOD收发光路的可逆性就成为终端能否采用收发共轴式设计的关键。2TeO，晶体的反常声光互作用的工作模式2．1宽

5、带匹配模式由于氧化碲(TeO：)晶体的声学和光学的优异特性，现在被广泛用于制作声光偏转器、调制器等声光器件。TeO：晶体为422类晶体；其晶体结构有良好的对称性，X凹和yoz的光学、声学特性相同；它是左旋正单轴晶体，有，p‰。反常布拉格衍射会改变入射光的偏振态。为了在较小的超声波发散角△以下可获得较大的衍射角△吼，亦即获得较大的布拉格带宽要求：入射光取慢模(e光)，即发生偏振态e—吣的反常布拉格衍射，称为宽带匹配模式(其下波矢几何关来稿日期：201咖9-2l；修回日期：20lo-12—23。作者简介：马晶(1956，04-)，男

6、。博士，教授。主要从事卫星光通信、光学信息处理方面的研究工作。40对于卫星光通信终端的PAT系统，站在发射圈l宽带匹配模式示意图芡射光反常AOD其方向变化很小甚至保持不变。如图2所示。可以看出宽带匹配模式适用于卫星光通信终端偏转发射光。而当人射光取快模(o光)时，即发生偏振态。一e的反常布拉格衍射，这种模式称为非宽带匹配模式。此时，在较大入射角变化范围△皖下衍射角△吼变化很小。可以看出非宽带匹配模式适用于卫星光通信终端偏转接收光。因此，令发射光为e光，接收光为。光，这样反常AOD将同时满足发射光偏转范围大以及接收视场角大的需求。

7、下面基于这种工作方式讨论收发光路是否可逆。反常AOD发射模式接收模式围2反常AOD在发射接收的不同需求下的两种工作模式示意图2．2非宽带匹配模式及该模式下布拉格衍射的几何关系发射光取e光，波矢为J

8、}¨其衍射光波矢后由，超声波波矢K。沿波矢．

9、}由反向入射的接收光取D光，故波矢

10、

11、}；。交与内层曲面；其衍射光波矢Ii}如交与外层曲面。各波矢量在折射率曲面内的几何关系如图3所示。巩为超声波波矢方向与【Jj唧(1，)方向的夹角；口。与晚分别为接收光和及其衍射光与光轴Z方向的夹角，以上各角度规定逆时针方向为正。最与吼分别为接收光和及其

12、衍射光与超声波波面间的夹角，始终为正。接收光波矢

13、j}小衍射光波矢k、声波矢K满足动量匹配条件，即组成封闭的矢量三角形(图3中所画为取“+”的情况)：

14、

15、}de矗io±K(1)凡e／‘。蟊、低她『一絮缝：二淀．弋．图3光在Te02晶体中光束正反两向传播时反常声光