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1、,强激光在大气远距离传输与控制,北京工业大学,激光工程研究院,2012年12月06日,提纲,一.激光中继传输系统简介二.激光中继传输系统组成三.激光中继传输系统初步设计四.激光中继传输系统的优势和挑战,激光中继传输系统简介,为了减少激光在大气传输过程中的光斑扩展，提高激光的光束质量，避免传输路径上障碍物的遮挡，可以考虑采用激光中继传输。中继系统接收地面激光器发射来的激光，同时对其进行校正，然后根据需要将激光重定向到另一位置。,激光中继镜技术的基本思想是通过置于高空或太空中的中继镜系统接收激光源向其发射的激光束经系统校正净化后重新定向发射到位于太空、大气或地面的目标上。中继镜技术将激光系统的激光
2、源与光束控制部分分离。,激光中继传输系统组成,中继镜系统最初设计方案为单镜结构，即中继镜系统由一台光学耦合望远镜、跟踪与瞄准等部分组成，望远镜既用于光束的耦合接收又用于光束的瞄准发射。中继镜系统的设计方案由单镜结构发展为双焦结构。双焦中继镜系统由两台光学耦合望远镜、对准系统、光束校正与净化装置、控制处理系统、视轴稳定系统等部分组成，可分为对准接收、光束校正与净化、瞄准与发射三大模块。两台光学耦合望远镜一台为接收望远镜，用于对准并接收来自激光源的入射光束；另一台为发射望远镜，用于将经光束校正与净化系统校正与净化后的激光束瞄准发射到目标上。目前在实验研究中均采用双焦结构的中继镜系统。,双焦中继镜系
3、统结构,双焦中继镜系统,理想条件下激光通过中继镜传输示意图,激光中继传输系统初步设计,激光中继镜系统由高功率激光源、中继镜系统和必要的地面和通信线路组成。中继镜系统则置于高空平台上，包括高空气艇、无人机、太空卫星。激光中继镜系统的工作过程为：高能激光源向位于空中的中继镜系统发射激光束，经中继镜系统的接收望远镜对准接收后，由光束校正与净化系统对光束进行相位校正与净化，提高光束质量，再由瞄准发射系统将激光束瞄准发射到地面或空中的目标上。,中继镜是靠接收望远镜和发射望远镜分别与光源和目标进行连接。可以考虑采用全反射望远镜，全反射望远镜系统有共轴和离轴之分。主镜和次镜的面型和连接方式主要有牛顿系统、卡
4、塞格林系统和哥利格里系统等。,全反射望远镜系统,将望远镜用于激光的扩束、缩束、接收和发射，可以将准直进入望远镜的激光准直射出，因此在激光传输上也常将次镜用抛物面，且次镜的焦点和主镜的焦点重合。,双抛物面全反射望远镜系统,接收望远镜和发射望远镜的对接方式主要有共焦点对接和准直对接。,接收和发射望远镜共焦点对接示意图,接收和发射望远镜共焦点对接示意图,实现激光在不同距离的聚焦，可以使中继镜系统的接收望远镜和发射望远镜能够在一定的范围内移动，接收和发射望远镜可以采用两轴系统。,望远镜绕方位轴旋转确保了在垂直方位轴平面上的任意指向，绕俯仰轴的旋转保证了沿方位轴方向的一定角度的指向。,中继镜光学实验平台
5、,包括上下两个可以独立旋转的部分。上部分为发射系统，下部分为接收系统。两个系统由一个共同轴连接(也可以不共轴)，接收望远镜与激光源的对准，发射望远镜与目标的对准有各自的跟踪系统完成。在接收和发射系统之间，有一个光束净化系统。,实验室模拟中继镜系统光路简图中继镜的接收望远镜和发射望远镜均可以绕各自的方位轴和俯仰轴旋转，实现中继镜与目标或地面发射系统一定范围的动态链接。沿方位轴的旋转保证了中继镜水平方向 360的指向，沿俯仰轴的转动，保证垂直方向一定角度的指向。,具体的工作过程：1、中继镜发射系统向地面发射跟踪信标，同时接收地面发射来的跟踪信标。地面发射望远镜依据中继镜提供的跟踪信标(点光源)实现
6、与中继镜接收望远镜的对准；中继镜接收系统的 PSD(位置探测器)通过对地面目标信标的探测，控制FSM(快速倾斜镜)，实现地面信标光与中继镜光轴共轴。2、中继镜接收系统向地面发射自适应信标光，地面发射系统根据接收的自适应信标，控制发射主激光的波前，实现主激光上行传输的相位补偿。3、主激光通过接收系统传输到光束净化系统，电动调整镜根据探测的波前倾斜控制倾斜镜，哈特曼波前探测器(WFS)根据探测的波前畸变控制变形镜，倾斜镜和变形镜的时时校正使通过净化系统的激光得以净化。,4、中继镜发射系统接收从目标反射来的照明光或自然光，然后将其传输到发射系统的 FTV(光轴探测器)，FTV 同时接收从角锥反射来的
7、主激光，通过对目标光与主激光的比较，控制发射系统的 FSM，使目标光与主激光共轴，实现主激光与目标的对准。5、中继镜的接收望远镜和发射望远镜均可以绕各自的方位轴和俯仰轴旋转，实现中继镜与目标或地面发射系统一定范围的动态链接。,初始激光的发射方式：从中继镜的使用目的上看，地面向中继镜发射激光主要有三种方式，即聚焦发射、准直发射和直接聚焦发射。,聚焦发射：地面激光器将激光聚焦发射到中继镜，然后由中继镜将该激光二次聚焦到目标上，即所谓的二次聚焦发射。准直发射：地面激光器将激光准直发射到中继镜，中继镜再将接收的激光聚焦到目标上。直接聚焦发射：地面激光器将激光通过中继镜直接聚焦发射到目标上，中继镜相当于
8、平面镜，只改变激光的传输方向。,激光二次聚焦传输示意图,初始激光准直发射示意图,初始激光直接发射示意图,评价中继镜性能的重要标准是激光到达中继镜以及由中继镜发射到目标的光斑特性。根据有关文献的介绍，考虑到几种高能激光波长，中继镜的高度和较大的发射口径（直径大于 1m），初始激光不适合用聚焦发射。当激光由地面发射到中继镜的菲涅耳数较大时，准直发射是一种较好的发射方式。当菲涅耳数很小时，准直发射和聚焦发射没有什么区别。准直传输后再聚焦到目标表面是目前比较好的方法。,激光中继传输系统的优势和挑战,优势降低了大气对激光的影响提高了系统的隐蔽生存能力与激光源的优势降低了对系统性能的要求挑战高功率和高光束质量激光源的研制、激光源对中继镜平台的跟踪瞄准、接收望远镜与激光源的对准接收和稳定。双光轴的稳定对接、中继镜平台及稳定控制、激光抖动控制与补偿、高精度惯性参考单元、自适应光学系统、光束校正与净化稳定、光学器件的轻质化、高精度光学镀膜、中继镜内部能量传输效率、目标识别跟踪与瞄准。,
