一种基于偏振分光的中继光学装置的制作方法

本实用新型属于无线激光通信技术领域，特别是涉及一种基于偏振分光的中继光学装置。

背景技术：

微波、毫米波通信具有技术相对成熟，可靠性较高，波束相对较宽，跟瞄捕获容易等优势。无线激光通信的优势在于频带较宽，可以增加链路通信容量；设备功耗、质量、体积较小；波束发散角较小，具有良好的抗干扰和抗截获性能，系统安全性高，可突破现有微波、毫米波通信速率的瓶颈，满足宽带、高速、安全的空天一体化网络构建的需求。

目前的激光通信终端的设计大都针对点对点通信，采用频分双工技术，即进行通信收发终端采用不同波长的激光源，然而这种设计无法满足多点组网中两两节点间的互操作性需求，在建立星间激光通信立体网络时存在问题。

申请专利号为“cn106656325a”的专利中所涉及的激光通信系统，公开了一种高速的单光源双向自由空间激光通信系统，但是其采用光纤环行器解决发射光与接收光的分离，存在通信收发隔离度差的问题。申请专利号为“cn107919912a”的专利公开了实现空间通信光偏振复用以及发射光与接收光的高隔离度分离，但是系统采用两发、两收的光路，包含的光学元件数量较多，同时还会进一步提升装调难度。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于偏振分光的中继光学装置，结构较为简单，并且相对与一般的中继光学系统具有更高的隔离度，a、b中继光学系统所需的光学元件数量相对较少，光路结构一致性好，装调难度相对小为解决同频率激光在共口径收发时，中继光学系统偏振分光导致的收发隔离度差，以及装调难度大的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种基于偏振分光的中继光学装置，包括中继光学装置a、中继光学装置b以及光学天线组，所述光学天线组位于所述中继光学装置a与中继光学装置b之间，所述中继光学装置a包括第一发射装置和第一接收装置，所述中继光学装置b包括第二发射装置和第二接收装置，所述中继光学装置a、中继光学装置b以及光学天线组通过空间光耦合连接；

其中，所述第一发射装置包括依次设置的第一线偏振光源、第一激光准直镜、第一偏振器和第一偏振分光棱镜，所述第一线偏振光源、第一激光准直镜、第一偏振器和第一偏振分光棱镜通过空间光耦合进行连接，所述第一偏振分光棱镜与所述光学天线组通过空间光耦合连接；

所述第一接收装置包括依次设置的第一光电探测器、第一聚焦镜、第二偏振分光棱镜和第二偏振器，所述第二偏振器位于所述第一分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间，且所述第一光电探测器、第一聚焦镜、第二偏振分光棱镜、第二偏振器和第二偏振分光器通过空间光耦合连接；

所述第二发射装置包括依次设置的第二线偏振光源、第二激光准直镜、第四偏振器、第三偏振分光棱镜和第三偏振器，所述第二线偏振光源、第二激光准直镜、第四偏振器、第三偏振分光棱镜和第三偏振器通过空间光耦合进行连接，所述第三偏振器与所述光学天线组通过空间光耦合连接；

所述第二接收装置包括依次设置的第二光电探测器、第二聚焦镜、第四偏振分光棱镜和第五偏振器，所述第五偏振器位于所述第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜之间，且第二光电探测器、第二聚焦镜、第四偏振分光棱镜、第五偏振器和第三偏振分光棱镜通过空间光耦合连接。

本技术方案中，通过第一发射装置进行发射信号，通过光学天线组发射到自由空间，然后由第二接收装置进行接收；第二发射装置进行发射信号，通过光学天线组发射到自由空间，然后由第一接收装置进行接收。

作为优化，所述光学天线组包括设置在自由空间内的第一光学天线和第二光学天线。

作为优化，所述第三偏振器、第一偏振器、第四偏振器、第二偏振器和第五偏振器为半波片，其消光比大于1000:1，透过率＞99.7％。

这样的好处是：提高发射光束的能量透过效率，减小后向反射，提高光源偏振度，有利于隔离度提高。

作为优化，所述的第一分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜为双折射晶体分束镜，隔离度大于60db。

这样的好处是：有利于提高激光收、发通道的隔离度。

作为优化，所述第一激光准直镜、第二激光准直镜可根据光源的类型而定，经过准直镜准直后的光束发散角为0.1mrad～10mrad，镜片表面镀相应波长的增透膜。

这样的好处是：提高发射光束的能量透过效率，减小后向反射。

作为优化，所述第一线偏振光源、第二线偏振光源均为线偏振激光器，其消光比达到100000:1，激光波长为1064nm波段、1550nm波段。

这样的好处是：有利于提高激光收、发通道的隔离度。

作为优化，所述的第一聚焦镜、第二聚焦镜透镜表面镀有对应激光波长的增透膜。

这样的好处是：发射光束具有较好的能量透过效率，减小后向反射，进而提高隔离度。

作为优化，所述第一光电探测器、第二光电探测器为可响应近红外波段的激光的雪崩光电探测器。

这样的好处是：有较高的探测响应度，对应可高效率探测1064nm波段、1550nm波段。

作为优化，所述的第一光学天线、第二光学天线可以为透射式或者反射式光学望远系统，中继光学系统的出射激光的光轴方向与光学天线的光轴安装时有一定的夹角，夹角大小约为亚mrad级。

这样的好处是：镜片表面反射光将不会反射进入接收通道。有利于提高激光收、发通道的隔离度。

本实用新型所述一种基于偏振分光的中继光学装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

采用偏振器、偏振分光棱镜等器件组合，基于偏振分光原理实现了空间通信系统中，通信激光发射光路与接收光路的高隔离度，该方案比一般的偏振分光光路有更好的隔离度，所需的光学元件数量相对较少，光路结构一致性好，装调难度相对小。

附图说明

图1是本实用新型一种基于偏振分光的中继光学装置的系统组成框图；

图2是本实用新型一种基于偏振分光的中继光学装置的分光与收发过程示意图，其中，单箭头虚线指向为光学天线光轴方向。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下、前、后、左、右”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。本实施例中的固定连接可以理解为通过焊接固定，也可以通过螺栓或者螺钉进行固定。

如图1-2所示，一种基于偏振分光的中继光学装置，包括中继光学装置a、中继光学装置b以及光学天线组，所述光学天线组位于所述中继光学装置a与中继光学装置b之间，所述中继光学装置a包括第一发射装置和第一接收装置，所述中继光学装置b包括第二发射装置和第二接收装置，所述中继光学装置a、中继光学装置b以及光学天线组通过空间光耦合连接；

其中，所述第一发射装置包括依次设置的第一线偏振光源8、第一激光准直镜6、第一偏振器4和第一偏振分光棱镜2，所述第一线偏振光源8、第一激光准直镜6、第一偏振器4和第一偏振分光棱镜2通过空间光耦合进行连接，所述第一偏振分光棱镜2与所述光学天线组通过空间光耦合连接；

所述第一接收装置包括依次设置的第一光电探测器16、第一聚焦镜14、第二偏振分光棱镜12和第二偏振器10，所述第二偏振器10位于所述第一分光棱镜2和第二偏振分光棱镜12之间，且所述第一光电探测器16、第一聚焦镜14、第二偏振分光棱镜12、第二偏振器10和第二偏振分光器2通过空间光耦合连接；

所述第二发射装置包括依次设置的第二线偏振光源9、第二激光准直镜7、第四偏振器5、第三偏振分光棱镜3和第三偏振器1，所述第二线偏振光源9、第二激光准直镜7、第四偏振器5、第三偏振分光棱镜3和第三偏振器1通过空间光耦合进行连接，所述第三偏振器1与所述光学天线组通过空间光耦合连接；

所述第二接收装置包括依次设置的第二光电探测器17、第二聚焦镜15、第四偏振分光棱镜13和第五偏振器11，所述第五偏振器11位于所述第三偏振分光棱镜3和第四偏振分光棱镜13之间，且第二光电探测器17、第二聚焦镜15、第四偏振分光棱镜13、第五偏振器11和第三偏振分光棱镜3通过空间光耦合连接。

本技术方案中，通过第一发射装置进行发射信号，通过光学天线组发射到自由空间，然后由第二接收装置进行接收；第二发射装置进行发射信号，通过光学天线组发射到自由空间，然后由第一接收装置进行接收。

本实施例中，所述光学天线组包括设置在自由空间内的第一光学天线18和第二光学天线19。

本实施例中，所述第三偏振器1、第一偏振器4、第四偏振器5、第二偏振器10和第五偏振器11为半波片，其消光比大于1000:1，透过率＞99.7％。

这样的好处是：提高发射光束的能量透过效率，减小后向反射，提高光源偏振度，有利于隔离度提高。

本实施例中，所述的第一分光棱镜2、第三偏振分光棱镜3、第二偏振分光棱镜12、第四偏振分光棱镜13为双折射晶体分束镜，隔离度大于60db。

这样的好处是：有利于提高激光收、发通道的隔离度。

本实施例中，所述第一激光准直镜6、第二激光准直镜7可根据光源的类型而定，经过准直镜准直后的光束发散角为0.1mrad～10mrad，镜片表面镀相应波长的增透膜。

当光射到两种透明介质的界面时，若光从光密介质射向光疏介质，光有可能发生全反射；当光从光疏介质射向光密介质，反射光有半波损失。对于玻璃镜头上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气折射率之间，当光由空气射向镜头时，使得膜两面的反射光均有半波损失，从而使膜的厚度仅仅只满足两反射光的光程差为半个波长。膜的后表面上的反射光比前表面上的反射光多经历的路程，即为膜的厚度的两倍。所以，膜厚应为光在薄膜介质中波长的1/4，从而使两反射光相互抵消。由此可知，增透膜的厚度d＝λ/4n(其中n为膜的折射率，λ为光在空气中的波长)。

增透膜光具有波粒二相性，即从微观上既可以把它理解成一种波、又可以把他理解成一束高速运动的粒子(注意，这里可千万别把它理解成一种简单的波和一种简单的粒子。它们都是微观上来讲的。红光波的波长＝0.750微米紫光波长＝0.400微米。而一个光子的质量是6.63e-34千克.如此看来他们都远远不是我们所想想的那种宏观波和粒子.)增透膜的原理是把光当成一种波来考虑的，因为光波和机械波一样也具有干涉的性质。

在镜头前面涂上一层增透膜(一般是"氟化钙",微溶于水),如果膜的厚度等于红光(注意：这里说的是红光)在增透膜中波长的四分之一时,那么在这层膜的两侧反射回去的红光就会发生干涉,从而相互抵消,你在镜头前将看不到一点反光,因为这束红光已经全部穿过镜头了。

这样的好处是：提高发射光束的能量透过效率，减小后向反射。

本实施例中，所述第一线偏振光源8、第二线偏振光源9均为线偏振激光器，其消光比达到100000:1，激光波长为1064nm波段、1550nm波段。

这样的好处是：有利于提高激光收、发通道的隔离度。

本实施例中，所述的第一聚焦镜14、第二聚焦镜15透镜表面镀有对应激光波长的增透膜。

这样的好处是：发射光束具有较好的能量透过效率，减小后向反射，进而提高隔离度。

本实施例中，所述第一光电探测器16、第二光电探测器17为可响应近红外波段的激光的雪崩光电探测器。

这样的好处是：有较高的探测响应度，对应可高效率探测1064nm波段、1550nm波段。

本实施例中，所述的第一光学天线18、第二光学天线19可以为透射式或者反射式光学望远系统，中继光学系统的出射激光的光轴方向与光学天线的光轴安装时有一定的夹角，夹角大小约为亚mrad级。

这样的好处是：镜片表面反射光将不会反射进入接收通道。有利于提高激光收、发通道的隔离度。

本实用新型原理如下：

a中继光学系统通信激光发射过程如下：

第一线偏振光源8经过第一激光准直镜6准直后，由第一偏振器4精细调节其起偏方向，与第一偏振分光棱镜2的透射方向(p波透过方向)一致，经过a中继光学装置后续的第一光学天线18准直后发射到自由空间。

b中继光学装置通信激光接收过程如下：

经过自由空间传输后的线偏振激光，由第二光学天线19接收后，缩束后，入射到第三偏振器1，第三偏振器1将入射的激光信号的偏振方向旋转约90°，使激光的偏振态与第三偏振分光棱镜3的垂直反射方向(s波传输方向)一致，经过第三偏振分光棱镜3的斜面的反射后，入射到第五偏振器11，第五偏振器11将调节激光的偏振态与偏振分束器的s波的方向一致，激光通过第四偏振分光棱镜13反射后，由第二聚焦镜15聚焦至第二光电探测器17上。

b中继光学装置通信激光发射过程如下：

第二线偏振光源9经过第二激光准直镜7准直后，由第四偏振器5精细调节其起偏方向，与第三偏振分光棱镜3的透射方向(p波透过方向)一致，再经过第三偏振器1旋转其偏振方向90°，即垂直偏振状态，经过b中继光学系统后续的第二光学天线19准直后发射到自由空间。

a中继光学装置通信激光接收过程如下：

经过自由空间传输后的垂直线偏振激光，由第一光学天线18接收后，缩束后，入射到第一偏振分光棱镜2，第一偏振分光棱镜2的斜面的将入射的垂直偏振态的激光反射后，入射到第二偏振器10，第二偏振器10将旋转激光的偏振态与偏振分束器的s波的方向一致，激光通过第二偏振分光棱镜12反射后，由第一聚焦镜14聚焦至第一光电探测器16上。上述光路适用于基于强度调制的强度探测接收，也适用于相位调制的相干探测接收。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变动。

最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等统计数的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型。