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CN111707448A - 空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法 - Google Patents

空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法，解决了目前缺乏对空间激光通信终端光学部件效率的测试装置以及测试效率低下的问题，该装置和方法可实现空间激光通信终端光学部件的发射效率和接收效率同平台测试。该效率检测装置包括光源、光纤、起偏器、偏振分光镜、第一功率计、准直镜、可调光阑、1/4波片、五维调整台和第二功率计；光纤、起偏器、偏振分光镜依次设置在光源的出射光路上；准直镜、1/4波片、五维调整台和第二功率计依次设置在偏振分光镜的透射光路上，第一功率计位于偏振分光镜的反射光路上；可调光阑设置在准直镜的出光口，用于实现准直镜出射光口径的调节。

Description

空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法。
背景技术
与传统微波空间通信方式相比，空间激光通信具有宽带、高速、抗截获和抗干扰能力强、轻小型等突出特点，非常适合于空地、空空、星地、星际以及深空链路之间的信息传输。随着空间遥感技术的发展，空间相机的分辨率、光谱仪器的空间和光谱分辨率都在大幅度提高，大量空间探测数据需要实时传送到地面，供给技术人员和专家分析、提炼，实现空间仪器的应用价值。目前卫星上常用的微波带宽约为百兆级别，已接近微波通信的理论极限。随着5.65G/s空间激光通信终端的成功实验，几十吉比特率空间激光通信终端也正处于研究和规划中，这些都充分证明了激光通信实际应用中的优势，所以以激光作为媒质进行通信可以很好的解决通信带宽瓶颈问题。
中国专利201310446484.8公开了一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，包括地面终端模拟系统、信号解调处理系统和数据显示终端，主要满足卫星在总装厂和大型环境试验状态下的功能和性能测试，能够完成上下行链路光信号传输误码率测试、数据率测试和光能测量，能够完成发射波长和发射效率的测试。中国专利201410708261.9公开了一种空间激光通信地面测试模拟平台，能够实现两个通信端机近距离进行多种参数直接对准性能的端机级系统测试，模拟影响空间激光通信性能的多种外界因素。中国专利201410708299.6公开了一种空间激光通信端机级系统测试方法，该方法实现了空间激光通信端机级的系统测试，包括跟瞄特性、捕获特性、通信特性等。中国专利201410708285.4公开了一种多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试的方法，该测试系统包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备，通过一片平面反射镜改变静态参数或是动态参数的测试，其中静态参数包括超前瞄准误差、远场分布、光功率和静态指向误差。但是，上述申请都是针对空间激光通信系统指标的测试装置，缺乏对空间激光通信终端光学部件效率的测试装置，同时，若要单独对每一个空间激光通信终端光学部件进行测试，则需要分别搭建发射效率实验平台和接收效率实验平台，使得测试效率低下。
发明内容
本发明的目的是解决目前缺乏对空间激光通信终端光学部件效率的测试装置以及测试效率低下的问题，提供一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法，可实现空间激光通信终端光学部件的发射效率和接收效率同平台测试，对于激光通信系统通信距离的测试和标定积累数据基础。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置，包括光源、光纤、起偏器、偏振分光镜、第一功率计、准直镜、可调光阑、1/4波片、五维调整台和第二功率计；所述光纤、起偏器、偏振分光镜依次设置在光源的出射光路上；所述准直镜、1/4波片、五维调整台和第二功率计依次设置在偏振分光镜的透射光路上，所述第一功率计设置偏振分光镜的反射光路上；所述可调光阑设置在准直镜的出光口，用于实现准直镜出射光口径的调节；所述第二功率计的中心高与准直镜出光口等高，且第二功率计探测面尺寸大于被测空间激光通信终端光学部件的出瞳直径；所述五维调整台用于调整被测空间激光通信终端光学部件的位置。
进一步地，所述光纤的一端与光源连接，另一端与光纤法兰连接，所述光纤法兰位于准直镜的焦平面位置，所述光纤的出射端面位于准直镜的焦点位置。
进一步地，所述光源为光纤激光器，波长为被测空间激光通信终端光学部件的工作波长，光纤的工作波长覆盖光源波长，起偏器、偏振分光镜和1/4波片的工作波长为光源波长。
进一步地，所述光纤为单模光纤或多模光纤。
进一步地，所述准直镜的焦距为300mm，出瞳尺寸为100mm，工作波长范围为0.3μm～1.8μm。
本发明还提供一种基于上述空间激光通信终端光学部件效率检测装置的发射效率检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端光学部件包括发射光学镜头和发射光纤；
步骤二、将对应工作波长的发射光纤激光器与发射光纤连接，同时将发射光纤激光器与第二功率计连接；
步骤三、发射光纤激光器工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端光学部件的光轴与发射光纤激光器出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑，使得可调光阑口径大于被测空间激光通信终端光学部件的出瞳直径；
步骤五、发射光纤激光器发出的光束经过发射光纤进入发射光学镜头，发射光学镜头出射的右旋圆偏振光经过1/4波片、可调光阑和准直镜，被偏振分光镜反射进入第一功率计，记录此时第一功率计的功率P1；
步骤六、发射光纤激光器输出光直接入射第二功率计，记录此时第二功率计的功率P2；
步骤七、计算发射效率β1；
Figure BDA0002500357250000031
其中，T1为准直镜在光源波长下透过率；
T2为1/4波片的透过率；
Tp为偏振分光镜透射光的透过率。
同时，本发明还提供一种基于上述空间激光通信终端光学部件效率检测装置的接收效率检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端光学部件包括接收光学镜头；
步骤二、光源工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端光学部件的光轴与光源出射光束的光轴重合；
步骤三、调整准直镜出光口的可调光阑，使其口径小于被测空间激光通信终端光学部件出瞳；
步骤四、第二功率计接收被测空间激光通信终端光学部件全部出射光，记录此时第二功率计的功率P3；
步骤五、移开被测空间激光通信终端光学部件，使可调光阑输出光经过1/4波片后全部入射第二功率计，记录此时第二功率计的功率P4；
步骤六、计算接收效率β2，β2＝P3/P4×100％。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：
1.本发明提供一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法，可对空间激光通信终端光学部件的效率进行测试，对于激光通信系统通信距离的测试和标定积累数据基础，使得该空间激光通信终端的传输精度更为准确。同时，本发明效率检测装置结构简单，使用方便，易于实现。
2.本发明提供一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置，可实现空间激光通信终端光学部件的发射效率和接收效率在一个平台上测试，从而提高了检测的效率，适用于批量化生产。
附图说明
图1本发明空间激光通信终端光学部件效率检测装置的结构示意图；
图2本发明空间激光通信终端光学部件的发射效率测试原理图；
图3本发明空间激光通信终端光学部件的接收效率测试原理图。
附图标记：101-光源；102-光纤；103-光纤法兰；104-起偏器；105-偏振分光镜；106-第一功率计；107-准直镜；108-可调光阑；109-1/4波片；110-五维调整台；111-空间激光通信终端光学部件；112-第二功率计；201-发射光学镜头；202-发射光纤，203-发射光纤激光器，204-接收光学镜头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置及效率检测方法，可实现空间激光通信终端光学部件的发射效率和接收效率同平台测试。
如图1所示，本发明空间激光通信终端光学部件效率检测装置包括光源101、光纤102、光纤法兰103、起偏器104、偏振分光镜105、第一功率计106、准直镜107、可调光阑108、1/4波片109、五维调整台110和第二功率计112。光纤102、起偏器104、偏振分光镜105依次设置在光源101的出射光路上；准直镜107、1/4波片109、五维调整台110和第二功率计112依次设置在偏振分光镜105的透射光路上，第一功率计106位于偏振分光镜105的反射光路上。同时，光纤102的出射端面位于偏振分光镜105透射方向的准直镜107的焦点位置，五维调整台110用于调整被测空间激光通信终端光学部件111的位置。其中，可调光阑108位于准直镜107出光口，实现准直镜107出射光口径的调节，以匹配不同空间激光通信终端光学部件111，当测试发射效率时，可调光阑108口径大于被测空间激光通信终端光学部件111的出瞳直径，当测试接收效率时，可调光阑108口径小于被测空间激光通信终端光学部件111的出瞳直径。
本发明效率检测装置中，光纤102两端分别连接光源101和光纤法兰103，光纤法兰103位于准直镜107的焦平面位置，光纤102出射端面位于偏振分光镜105透射方向的准直镜107的焦点位置，第一功率计106位于偏振分光镜105反射方向的准直镜107的焦点位置。第二功率计112的中心高与准直镜107出光口等高，且第二功率计112探测面尺寸大于被测空间激光通信终端光学部件111的出瞳直径。
本发明效率检测装置中，光源101的波长为被测空间激光通信终端光学部件111的工作波长，光纤102的工作波长覆盖光源101波长，起偏器104、偏振分光镜105和1/4波片109的工作波长为光源101波长，偏振分光镜105透射光的透过率为Tp，反射光的反射率为Rs，准直镜107在光源101波长下透过率为T1，具有保偏特性，1/4波片109的透过率为T2。
在测试接收效率时，光源101发出的光束经过光纤102进入起偏器104，出射线偏振光，偏振分光镜105透射p光，p光在经过准直镜107后，成为平行光束，可调光阑108改变出射光束的口径，再经过1/4波片109变为左旋圆偏振光，通过调整五维调整台110使被测空间激光通信终端光学部件111的光轴与出射平行光束的光轴重合，光束经过被测空间激光通信终端接收支路进入第二功率计112。
在发射效率的测试时，调整五维调整台110使被测空间激光通信终端光学部件111的光轴与出射平行光束的光轴重合，发射支路发出的右旋圆偏振光经过1/4波片109变为s光，经过可调光阑108和准直镜107，被偏振分光镜105反射进入第一功率计106。
在本发明实施例中，光源101为光纤激光器，或着为空间光激光器+会聚镜，其波长为空间激光通信终端光学部件111的工作波长1550nm，光纤102为单模光纤，芯径5μm，两端分别连接光源101和光纤法兰103。空间激光通信终端光学部件111的焦距范围为20mm～100mm。准直镜107的焦距选取为300mm，出瞳尺寸为100mm，光学元件全部为反射镜，工作波长范围为0.3μm～1.8μm，在1550nm处具有保偏特性。
影响被测空间激光通信终端光学部件发射效率的因素包括光学元件在工作波长的透过率和偏振损耗，基于此，如图2所示，本发明空间激光通信终端光学部件的发射效率检测方法包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件111放置在五维调整台110上，被测空间激光通信终端光学部件111包括相连接的发射光学镜头201和发射光纤202；
步骤二、将对应工作波长的发射光纤激光器203与发射光纤202连接，同时将发射光纤激光器203与第二功率计112连接；
步骤三、发射光纤激光器203工作，调整五维调整台110，使被测空间激光通信终端光学部件111的光轴与发射光纤激光器203出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑108，使得可调光阑108口径大于被测空间激光通信终端光学部件111的出瞳直径；
步骤五、发射光纤激光器203发出的光束经过发射光纤202进入发射光学镜头201，发射光学镜头201出射的右旋圆偏振光经过1/4波片109、可调光阑108和准直镜107，被偏振分光镜105反射进入第一功率计106，记录此时第一功率计106的功率P1；
步骤六、发射光纤激光器203输出光直接入射第二功率计112，记录此时第二功率计112的功率P2；
步骤七、计算发射效率β1；
Figure BDA0002500357250000071
其中，T1为准直镜107在光源101波长下透过率；
T2为1/4波片109的透过率；
Tp为偏振分光镜105透射光的透过率。
如图3所示，本发明空间激光通信终端光学部件的接收效率检测方法包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件111放置在五维调整台110上，被测空间激光通信终端光学部件111包括接收光学镜头204；
步骤二、光源101工作，调整五维调整台110，使被测空间激光通信终端光学部件111的光轴与光源101出射光束的光轴重合；
步骤三、调整准直镜107出光口的可调光阑108，使其口径小于被测空间激光通信终端光学部件111出瞳；
步骤四、第二功率计112接收被测空间激光通信终端光学部件111全部出射光，记录此时第二功率计112的功率P3；
步骤五、移开被测空间激光通信终端光学部件111，使可调光阑108输出光经过1/4波片109后全部入射第二功率计112，记录此时第二功率计112的功率P4；
步骤六、计算接收效率β2，β2＝P3/P4×100％。
本发明采用偏振分光镜105、1/4波片109和可调光阑108实现空间激光通信终端光学部件111发射效率和接收效率的同平台测试，提高装配检测的效率，适用于批量化生产。

Claims (7)

1.一种空间激光通信终端光学部件效率检测装置，其特征在于：包括光源(101)、光纤(102)、起偏器(104)、偏振分光镜(105)、第一功率计(106)、准直镜(107)、可调光阑(108)、1/4波片(109)、五维调整台(110)和第二功率计(112)；
所述光纤(102)、起偏器(104)、偏振分光镜(105)依次设置在光源(101)的出射光路上；
所述准直镜(107)、1/4波片(109)、五维调整台(110)和第二功率计(112)依次设置在偏振分光镜(105)的透射光路上，所述第一功率计(106)设置在偏振分光镜(105)的反射光路上；
所述可调光阑(108)设置在准直镜(107)的出光口，用于实现准直镜(107)出射光口径的调节；
所述五维调整台(110)用于调整被测空间激光通信终端光学部件(111)的位置，所述第二功率计(112)的中心高与准直镜(107)出光口等高，且第二功率计(112)的探测面尺寸大于被测空间激光通信终端光学部件(111)的出瞳直径。
2.根据权利要求1中所述的空间激光通信终端光学部件效率检测装置，其特征在于：所述光纤(102)的一端与光源(101)连接，另一端与光纤法兰(103)连接，所述光纤法兰(103)位于准直镜(107)的焦平面位置，所述光纤(102)的出射端面位于准直镜(107)的焦点位置。
3.根据权利要求1或2中所述的空间激光通信终端光学部件效率检测装置，其特征在于：所述光源(101)为光纤激光器，波长为被测空间激光通信终端光学部件(111)的工作波长，所述光纤(102)的工作波长覆盖光源(101)的波长，所述起偏器(104)、偏振分光镜(105)和1/4波片(109)的工作波长为光源(101)的波长。
4.根据权利要求3中所述的空间激光通信终端光学部件效率检测装置，其特征在于：所述光纤(102)为单模光纤或多模光纤。
5.根据权利要求4中所述的空间激光通信终端光学部件效率检测装置，其特征在于：所述准直镜(107)的焦距为300mm，出瞳尺寸为100mm，工作波长范围为0.3μm～1.8μm。
6.一种基于权利要求1至5任一所述空间激光通信终端光学部件效率检测装置的发射效率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端光学部件包括发射光学镜头和发射光纤；
步骤二、将对应工作波长的发射光纤激光器与发射光纤连接，同时将发射光纤激光器与第二功率计连接；
步骤三、发射光纤激光器工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端光学部件的光轴与发射光纤激光器出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑，使得可调光阑口径大于被测空间激光通信终端光学部件的出瞳直径；
步骤五、发射光纤激光器发出的光束经过发射光纤进入发射光学镜头，发射光学镜头出射的右旋圆偏振光经过1/4波片、可调光阑和准直镜，被偏振分光镜反射进入第一功率计，记录此时第一功率计的功率P1；
步骤六、发射光纤激光器输出光直接入射第二功率计，记录此时第二功率计的功率P2；
步骤七、计算发射效率β1；
Figure FDA0002500357240000021
其中，T1为准直镜在光源波长下透过率；
T2为1/4波片的透过率；
Tp为偏振分光镜透射光的透过率。
7.一种基于权利要求1至5任一所述空间激光通信终端光学部件效率检测装置的接收效率检测方法，其特征在于：
步骤一、将被测空间激光通信终端光学部件放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端光学部件包括接收光学镜头；
步骤二、光源工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端光学部件的光轴与光源出射光束的光轴重合；
步骤三、调整准直镜出光口的可调光阑，使其口径小于被测空间激光通信终端光学部件出瞳；
步骤四、第二功率计接收被测空间激光通信终端光学部件全部出射光，记录此时第二功率计的功率P3；
步骤五、移开被测空间激光通信终端光学部件，使可调光阑输出光经过1/4波片后全部入射第二功率计，记录此时第二功率计的功率P4；
步骤六、计算接收效率β2，β2＝P3/P4×100％。
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