阅读说明：本技术 一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法 (Environment self-adaptive laser sheath auxiliary laser communication device and method based on wavefront phase modulation ) 是由 刘海锋 闫宝罗 刘波 张昊 李昌瑾 江晓瑞 李晓龙 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法,属于自由空间激光通信技术领域,超短脉冲光在大气中成丝产生“激光鞘”辅助信号光通过湍流,该装置通过波前相位调制器对脉冲光波前相位调谐并同时控制可变倍数扩束镜、变焦透镜模块、超短脉冲激光器实现“激光鞘”空间分布可调谐以达到对信号光实时、最佳的辅助效果。该本发明将激光成丝复杂的非线性过程和时变的链路环境作“黑箱”处理,对超短脉冲光束调谐,克服了“激光鞘”空间分布不易控制、辅助性能波动大的缺点,具有抗湍流能力强、环境自适应的优点,可实现长距离、高稳定度辅助激光通信,并帮助“激光鞘”辅助光通信这一新兴技术的快速应用。(An environment self-adaptive 'laser sheath' auxiliary laser communication device and method based on wavefront phase modulation belong to the technical field of free space laser communication, ultra-short pulse light is filamented in the atmosphere to generate 'laser sheath' auxiliary signal light to pass through turbulence, the device tunes the wavefront phase of the pulse light through a wavefront phase modulator and simultaneously controls a variable multiple beam expander, a zoom lens module and an ultra-short pulse laser to realize 'laser sheath' space distribution tuning so as to achieve the real-time and optimal auxiliary effect on the signal light. The invention performs 'black box' processing on the nonlinear process of laser filamentation and the time-varying link environment, tunes the ultrashort pulse light beam, overcomes the defects that the spatial distribution of a 'laser sheath' is not easy to control and the fluctuation of the auxiliary performance is large, has the advantages of strong anti-turbulence capability and environment self-adaption, can realize long-distance and high-stability auxiliary laser communication, and helps the 'laser sheath' auxiliary optical communication to be rapidly applied to a novel technology.)

一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信 装置及方法

技术领域

本发明属于自由空间激光通信技术领域，特别是将超短脉冲光非线性传输应用于自由空间激光通信。本发明结合空间光调制器优良的相位调制特性，设计了一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置及方法，其可以在星地激光通信、大气激光通信等领域辅助信号光传输，同时优化系统参数，最大限度降低链路环境波动造成影响，特别适用于强湍流、长距离下激光通信的应用。

背景技术

自由空间激光无线通信是以大气作为传输媒介以激光作为载波在自由空间进行信息传递的通讯技术，具有频带宽、速率高、协议透明、无需频谱许可证等优点。但由于高频穿透性差的特点，大气环境(如：大气湍流、云、雾)将对通信造成极大影响，现有的解决方案如多发多收系统(MIMO)、自适应光学系统(AO)、中继放大系统等都存在系统复杂、成本高的问题，且未从根本上解决大气问题。

激光成丝现象(Laser Filamentation)是超短激光在空气中传输时，克尔效应自聚焦和等离子体散焦效应平衡产生的突破衍射极限的等离子激光丝，通道径向尺寸达100～200μm，该激光丝功率密度极高可达10¹⁴W/cm^-2。因此气体、气溶胶、液体，甚至是固体均可被击穿。自1995年激光成丝现象被发现以来，其被广泛应用于遥感、大气污染物监测、激光引雷、太赫兹辐射源、少数周期脉冲发生等方面。而关于“激光成丝辅助光通信”的概念直到2014年才被Alexandru Hening等人(Alexandru Hening,et al.Laser Communication andPropagation through the Atmosphere and Oceans III.Vol.9224(2014):J1-8)提出；2018年Jean-Pierre Wolf课题组(Schimmel G,et al.Optica,5(2018):1338-1341.)实验证明在水雾环境中，不同于二氧化碳激光器需要高功率密度(打开100m水雾通道，大约需要功率密度高达10kW/cm^-2的连续光)去加热蒸发水雾从而打开通道的方法，激光成丝产生的冲击波足以使水滴以光束为中心向外驱逐形成mm量级的通道，该通道可填充信号光，用于强大气湍流下辅助无线激光通信，我们将该通道称为“激光鞘”。描述光丝的特征参量有许多，例如：成丝长度：由于现有技术对脉冲光峰值功率、重频和脉宽的限制，目前国际上最高仅可实现公里量级的成丝距离，尽管如此，激光成丝也可应用于短距离或部分链路的辅助通信，并展示出强抗湍流能力；成丝位置：控制“激光鞘”产生于强大气湍流位置处，将帮助我们最大限度利用有限的成丝距离达到最大辅助效果；脉冲初始啁啾量：用以补偿在空气中传播过程中的群速度色散，通过这种方法可以实现激光成丝位置和长度的控制；“激光鞘”空间分布：该参量将决定辅助光通信的效果，由于激光成丝是受众多因素共同影响的复杂非线性过程，大气环境、脉冲光空间分布、超短激光脉冲参数等均强烈影响生成的“激光鞘”空间分布。并且在实际环境中，通信链路所处的环境是随时间、空间变化的，这导致了超短脉冲非线性传输时的非线性折射率n₂波动，由此会引发一系列问题：例如：“激光鞘”长度变化、“激光鞘”位置变化、“激光鞘”空间分布变化等，这将严重影响辅助激光通信的效果，甚至对通信光造成负面影响，也是该技术未能迅速应用的原因之一。因此提出一套大气环境自适应的“激光鞘”辅助激光通信装置和方法对恶劣环境下激光通信的实现具有重要意义。传统自适应光学的方法是通过接收端的自适应光路重构信号光波前，而本发明则是提出对“激光鞘”的空间分布自适应重构，这与前者有本质的区别，同时，我们提出了合理的设计。

由于激光成丝辅助无线通信的技术发展较晚，该技术的应用目前也仅局限在理论研究和实验室短距离通信辅助的阶段，目前尚未有关于基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信的方案和报道。

发明内容

本发明旨在解决“激光鞘”辅助激光通信时由于通信链路环境变化引起辅助性能下降甚至失效的问题，将环境因素对脉冲光非线性传输时的复杂影响作“黑箱”处理，提出了一种基于波前相位调制和光束整形方法的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置及方法。该方法可得到稳定的“激光鞘”辅助光通信效果，并大大提高辅助通信距离。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信装置，其特征在于：包括由激光通信发射机、第三凸透镜、第四凸透镜组成的信号光路，以及由超短脉冲激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、光阑、起偏器、分束镜、波前相位调制器组成的超短脉冲光路，其中波前相位调制器设置在分束镜的透射光路上；

包括可变倍数扩束镜、二向色镜、变焦透镜模块、滤光片、激光通信接收机，依次设置在分束镜的反射光路上；分束镜反射的超短脉冲光经过可变倍数扩束镜后进入二向色镜，由二向色镜将信号光路和超短脉冲光路共轴合束，合束光经变焦透镜模块聚焦后，超短脉冲光在大气湍流位置处产生“激光鞘”辅助信号光通过，仅信号光经过所述滤光片由激光通信接收机接收信号光；

包括计算机，与超短脉冲激光器、波前相位调制器、可变倍数扩束镜、变焦透镜模块、激光通信接收机无线连接，计算机根据接收信号功率对可变倍数扩束镜的扩束倍数、变焦透镜模块的焦距、超短脉冲激光器的压缩光栅对间距、波前相位调制器内的相息图进行顺序控制，实现“激光鞘”空间分布优化，以达到在给定时间内最高信号光功率输出的目的。

进一步的，所述变焦镜模块的响应频率1MHz、变焦范围为10m到10km；所述超短脉冲激光器输出峰值功率达太瓦级或以上，脉宽小于50ps，重复频率大于50Hz；所述波前相位调制器刷新频率达到1kHz或以上，相面为1920×1080的矩形像素域，且其中需计算机优化相息图的区域为相面中心处1164×655的矩形域以外的区域。

进一步的，第一凸透镜、第二凸透镜对超短脉冲光扩束的光斑直径等于或略大于光阑孔径。

进一步的，变焦透镜模块前脉冲光光斑直径与信号光光斑直径之比大于4。

一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助激光通信的方法，包括以下步骤：

1)打开超短脉冲激光器，调整第一凸透镜、第二凸透镜对超短脉冲光扩束，使其光斑直径等于或略大于光阑孔径，以匹配波前相位调制器。

2)控制计算机加载相息图，通过调整起偏器使输入光偏振方向与调制器内液晶方向相同，以达到最佳调制效果，调整后，卸载该相息图；

3)调整可变倍数扩束镜实现对调制后脉冲光的扩束，调整第三凸透镜，第四凸透镜实现对信号光光斑的控制，以使得在二色镜和变焦透镜模块之间的合束光共轴，且变焦透镜模块前脉冲光光斑直径与信号光光斑直径之比大于4；

4)根据通信链路环境预估期望成丝位置，并通过调整可变倍数扩束镜的扩束倍数和变焦透镜模块的等效焦距，实现脉冲光在期望位置处产生“激光鞘”辅助激光通信；

5)建立通信链路后，由激光通信接收机接收信号光并将信号功率值反馈给计算机，此时计算机将进行顺序控制，第一步，控制可变倍数扩束镜的扩束倍数和变焦透镜模块的等效焦距以优化“激光鞘”位置和长度；第二步，控制飞秒激光器中脉冲压缩光栅对间距以调谐初始啁啾量补偿群速度色散，并实现“激光鞘”位置、长度和空间分布的进一步优化；第三步，在给定时间限制内，计算机使用快速收敛算法计算相息图对超短脉冲光进行波前相位调制，主要实现“激光鞘”空间分布的进一步优化；以上三步为一个优化周期。若某一时刻，接收信号功率相比优化前降低5％，则进入下一个优化周期，以此实时优化“激光鞘”参数实现环境自适应功能。

本发明的优点和有益效果：

一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置及方法，将超短脉冲光非线性传输产生的“激光鞘”用于辅助光通信，可大大降低激光穿透大气湍流所需的激光功率，且由于光强钳制效应，“激光鞘”强度在较长一段距离内不会发生衰减，是可靠的辅助光通信方案。为了解决链路环境随时间和空间变化对“激光鞘”空间分布的扰动，本发明借助波前相位调制、光束整形方法，可实现对“激光鞘”长度、位置的调谐，并灵活、高效、快速调制脉冲光波前相位，实现“激光鞘”空间分布的重构。相比目前辅助距离仅达数米的“激光鞘”辅助光通信技术，我们将辅助距离提升至千米量级，并使“激光鞘”辅助长距离光通信提供了更多可能，未来将有望应用于星地激光通信，5G无线网络的垂直回程/前传框架等方面。

附图说明

图1为本发明基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置光路图。

图中：1.超短脉冲激光器，2.第一凸透镜，3.第二凸透镜，4.光阑，5.起偏器，6.分束镜，7.波前相位调制器，8.可变倍数扩束镜，9.激光通信发射机，10.第三凸透镜，11.第四凸透镜，12.二向色镜，13.变焦透镜模块，14.滤光片，15.激光通信接收机，16.计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述。本发明通过对脉冲光波前相位调制和光束整形方法实现对“激光鞘”空间分布的重构，实现“激光鞘”在强湍流环境自适应辅助激光通信的功能。如图1，本发明提出的一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置及方法，包括：超短脉冲激光器1，第一凸透镜2，第二凸透镜3，光阑4，起偏器5，分束镜6，波前相位调制器7，可变倍数扩束镜8，激光通信发射机9，第三凸透镜10，第四凸透镜11，二向色镜12，变焦透镜模块13，滤光片14，激光通信接收机15，计算机16。

本发明各组成的位置关系是：

由激光通信发射机9、第三凸透镜10、第四凸透镜11组成的信号光路，以及由超短脉冲激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、光阑4、起偏器5、分束镜6、波前相位调制器7组成的超短脉冲光路。其中波前相位调制器7设置在分束镜6的透射光路上；可变倍数扩束镜8、二向色镜12、变焦透镜模块13、滤光片14、激光通信接收机15，依次设置在分束镜6的反射光路上。分束镜6反射的超短脉冲光经过可变倍数扩束镜8后进入二向色镜12，由二向色镜12将信号光路和超短脉冲光路共轴合束，合束光经变焦透镜模块13聚焦后，超短脉冲光在大气湍流位置处产生“激光鞘”辅助信号光通过，仅信号光经过滤光片14由激光通信接收机15接收信号光实现通信。计算机16与超短脉冲激光器1、波前相位调制器7、可变倍数扩束镜8、变焦透镜模块13、激光通信接收机15无线连接。计算机16根据接收信号功率对可变倍数扩束镜的扩束倍数8、变焦透镜模块13的焦距、超短脉冲激光器1的压缩光栅对间距、波前相位调制器7内的相息图进行顺序控制，实现“激光鞘”空间分布优化，以达到在给定时间内最高信号光功率输出的目的。

通过上述组件构成的基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置及方法按照以下的步骤进行：

超短脉冲激光器1使用峰值功率为5TW，中心波长805nm，脉宽40fs，单脉冲能量0.2J，重频100Hz，平均功率为20W。波前相位调制器2的分辨率1920×1080，刷新频率1kHz，像元大小10μm，相面范围19.2×10.8mm²，激光损伤阈值10W/cm²。由此计算得入射波前相位调制器7的功率密度约为9.65W/cm²小于激光损伤阈值，因此满足要求。第1步，打开超短脉冲激光器1，调整第一凸透镜2、第二凸透镜3对超短脉冲光扩束，使其光斑直径等于或略大于光阑4孔径，以匹配波前相位调制器7。第2步，通过控制计算机16加载二阶涡旋光相息图，当超短脉冲光入射波前相位调制器7后，反射得相位调制后的调制脉冲光，此时用近红外相机(图1中未画出)观察调制后的脉冲光，并同时调整起偏器5使输入光偏振方向与调制器内液晶方向相同，以达到最佳调制效果。调整完毕后，卸载该相息图，并将CCD撤出光路。第3步，反射出的调制脉冲光由可变倍数扩束镜8实现对调制后脉冲光的扩束，激光通信发射机9发射信号光，信号光波长1550nm，发射功率2W，由第三凸透镜10，第四凸透镜11实现对信号光束光斑直径控制，二者由二色镜12合束后，得到脉冲光和信号光束腰半径分别为5cm和1mm，且二者共轴。第4步，实例中，光通信链路2km，若根据链路环境估计距激光通信发射机9200m位置处出现强湍流，则目标成丝位置为上述位置。由激光成丝位置Z_f'计算公式：

其中P为超短激光峰值功率，在本实例中为3TW；P_cr为自聚焦阈值功率，根据本实例中天气情况估算P_cr约为3GW；波矢k＝2π/λ＝7.85×10⁶m^-1；a是脉冲光光束束腰半径为5cm；Z_f为激光成丝自聚焦位置，计算可得234.19m；根据目标聚焦位置，设计得变焦透镜模块13的等效焦距f_eff为1370m。两束光经过变焦透镜模块13弱聚焦后，超短脉冲光在目标位置(距激光通信发射机9200m位置)处产生“激光鞘”，信号光在“激光鞘”辅助下免受强湍流干扰。第4步，接收端的滤光片14将包括超短脉冲光在内的背景杂散光滤除，仅让信号光通过，由激光通信接收机15对信号光进行处理实现光通信，并将功率信息反馈至计算机16。第5步，由于链路环境原因导致“激光鞘”的空间分布变化，辅助性能不稳定，计算机16对发射端器件器件进行顺序控制。首先，控制可变倍数扩束镜8改变脉冲光光束束腰a，实现“激光鞘”位置和长度的大范围调谐；接着，控制变焦透镜模块13实现“激光鞘”位置和长度的小范围、高精度调谐；在此基础上，控制飞秒激光器1中脉冲压缩光栅对间距以调谐初始啁啾量实现“激光鞘”位置、长度和空间分布的进一步优化；最后，基于模拟退火算法使用计算机16优化波前相位调制器7的相息图中相面中心处1164×655的矩形域以外的区域，设置2秒优化时间，并在2秒内完成多次迭代，计算机16使用该时间段内最高信号光功率输出时的相息图以完成对脉冲光调制，受调制后的脉冲光产生的“激光鞘”将具备更良好的辅助信号光性能。以上为一个优化周期，由于湍流在时间和空间上的扰动，若接收信号功率相比优化前降低5％，则进入下一个优化周期，以此实现环境自适应“激光鞘”辅助光通信的功能。以上是一种基于波前相位调制的环境自适应“激光鞘”辅助光通信装置、方法及实施例，本发明将激光成丝应用到激光通信中，有效地解决了链路环境波动造成“激光鞘”辅助性能下降的问题，在无线激光通信领域具有广泛的应用前景。

本发明不限于上文描述的实时方式，上述具体实施方式仅为示意性，并非限制性。在不脱离本专利发明宗旨和权利要求所保护的范围下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。