（光学工程专业论文）中继镜系统激光传输与变换的理论研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 中继镜系统是安放在空间平台上的光学系统，该光学系统接收地面发射来的 激光，同时对其进行校正，然后根据需要将其重定向到另一位置。由于中继镜能 够提供合作的信标光，可以减少近地面稠密大气对激光传输的影响，避免障碍物 的遮挡，因此被认为是拓展激光空间传输的有效手段之一。 本文首先在已有关于高能激光系统中继镜的研究基础上，对中继镜光学系统 的结构，各光学子系统的功能及其可能连接方式进行了研究，并在此基础上设计 了中继镜系统光路，说明了激光在中继镜系统内的耦合和净化过程。然后在中继 镜系统光路基础上分别研究了真空和大气条件下激光通过中继镜的传输与变换特 性，分析了湍流像差对中继镜校正能力的影响。最后结合理论研究结果对激光通 过中继镜的传输和变换进行了计算机模拟。 通过对真空条件下激光中继镜传输的研究表明：当第一个焦平面的孔径很大 时，聚焦的光束不能够二次聚焦；当第一个焦平面的孔径较小，聚焦后的光束可 以再聚焦。但当菲涅耳数较大时，激光中继镜传输不宜用二次聚焦的方式。另外， 由于中继镜相对初始发射激光的位置是固定的，而目标的位置是变化的，一个固 定口径和遮拦比的中继镜不可能与一个不断变化的光场始终吻合，因而，初始激 光也不宜用直接聚焦的方式发射。在菲涅耳数较大的区域，准直传输具有较高的 耦合效率，对本文涉及的问题，由于菲涅耳数较大，因此初始激光准直发射是最 佳的发射方式。在菲涅耳数较小的区域，接收和发射间有一个最佳的菲涅耳数， 此时地面发射望远镜和中继镜接收望远镜间的耦合最好。 由于相干合成是提高激光发射功率的有效手段之一，因此在考虑大气湍流的 影响下，研究了传输距离、发射孔径和波长对完全相干多高斯光束上行传输的影 响，获得了平均光强与传输距离、发射孔径、湍流强度和波长的解析关系。通过 对空心高斯光束在斜程湍流大气中的传输特性研究，得到了中继镜的接收效率与 光学系统参数、折射率结构常数和激光特性参数间的关系式；在综合考虑湍流、 热晕和自适应光学校正的情况下，分析并比较了1 0 6 9 m 、1 3 1 5 u m 和3 8 “m 三种 波长激光传输到中继镜的光斑扩展，建立了激光上行传输的光斑扩展与发射功率 和波长的关系，说明在大气环境下，初始激光准直发射的可行性。 为了分析光束净化系统对相位畸变的校正能力，本文研究了控制带宽、f r i e d 相干长度对校正能力的影响，分析了不同阶像差对激光传输轴上光强的影响，建 立了湍流像差与目标峰值光强s t r e h l 比和环围能量s t r e h l 比的定标规律，为激光中 继镜传输特性的分析提供了方法。 在综合考虑湍流、热晕和大气消光等因素的影响，利用激光大气传输仿真程 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 序，对3 8 u m 和1 0 6 9 m 波长的激光通过中继镜的传输特性进行了模拟，研究了不 同参数下激光通过中继镜的传输和变换特性，并对中继镜的低空防御范围和高空 覆盖范围进行了比较。模拟结果说明，如果用l k w c m 2 的功率密度作为能否防御 的标准，3 8 9 m 波长、1 m 直径和6 0 0 k w 的激光通过中继镜的低空防御范围较小， 6 k m 高度以下不能够防御；而对相同波长，1 8 m 直径，1 m w 的发射激光，中继镜 的低空防御范围较大，2 k m 以上一定角度的范围能够防御。如果用1 0 6 1 t m 的激光 作为中继激光，l m 直径，6 0 0 k w 激光的向下防御范围能够达到近地面。如果中继 镜用作激光通信和激光推进的二次传输平台，用l o w c m 2 的功率密度作为能否覆 盖的标准，l m 直径，6 0 0 k w 激光的高空覆盖范围在3 0 0 k m 左右，1 8 m 直径，1 m w 激光的高空覆盖范围在6 0 0 k m 左右。 通过与地面直接传输的比较说明，当目标不能够提供信标光时，在大功率和 大口径情况下，利用中继镜传输具有明显的优势；当目标能够提供信标光，利用 中继镜传输不具有优势。 主题词：中继镜系统；激光的传输与变换；大气光学；自适应光学 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eu s eo far e l a ym i r r o rs y s t e m ，t h ee f f e c t so fa t m o s p h e r eo nt h ep r o p a g a t i o n o fl a s e rb e a m sc a nb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d m e a n w h i l e ，t h eo b s c u r a t i o n sa tt h e p r o p a g a t i o np a t h ，s u c ha sb u i l d i n g s ，m o u n t a i n sc a nb ea v o i d e d i nm i l i t a r y ，ar e l a y m i r r o rs y s t e mc a nb en o to n l yu s e da sab a l l i s t i cm i s s i l ed e f e n s es y s t e mt oa t t a c kt h ea i r a n dg r o u n dt a r g e t s ，b u ta l s ou s e df o rt h es p a c es u r v e i l l a n c ea n ds p a c ec o n t r 0 1 i no p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c ea n dc o v e ra r e ao fl a s e rb e a m sc a nb e s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d 、衍mt h eh e l po far e l a ym i r r o rs y s t e m t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tw i l le f f e c to nt h ep r o p a g a t i o no fal a s e rb e a mt h r o u g h ar e l a ym i r r o r f o re x a m p l e ，d i f f r a c t i o n ，t u r b u l e n ta t m o s p h e r ea n dt h e r m a lb l o o m i n g w i l li n d u c et h es p r e a do fl a s e rb e a m ；m o l e c u l e ，a e r o s o l ，r a i na n df r o gw i l la b s o r ba n d s c a t t e rt h el i g h to ft h el a s e rb e a m ；l a s e rb e a mc o n c e n t r a t i n go nt h ec e n t r a lo b s c u r a t i o n o rr e a c h i n gb e y o n do u tt h ea p e r t m eo ft h er e c e i v e rt e l e s c o p ew i l lc a u s et h el o s so fl i g h t a l lo ft h e s ew i l ll i m i tt h ea p p l i c a t i o no fa r e l a ym i r r o rs y s t e m i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e so nr e l a ym i r r o rs y s t e m ，ih a v e s t u d i e dt h ep r o p a g a t i o na n dt r a n s f o r mo fl a s e rb e a m sp a s s i n gt h r o u g har e l a ym i r r o r s y s t e m m ym o t i v a t i o ni st ou n d e r s t a n dt h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o nb yu s i n gar e l a y m i r r o rs y s t e mc o m p a r i n gw i t i lt h ed i r e c t i n gp r o p a g a t i o no fl a s e rb e a m si nm i l i t a r y t h e s es t u d i e si n c l u d em a n ya s p e c t s t h ef i r s t t h es t r u c t u r eo far e l a ym i r r o rs y s t e ma n dt h el i n k sb e t w e e ne a c hs e c t i o n a r es t u d i e da n di l l u m i n a t e d 功pf u n c t i o n so fe a c hp a r t sa n di t sw o r kp r i n c i p l ea r e i n v e s t i g a t e d n l es e c o n d f r o mt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no far e l a ym i r r o rs y s t e m , t h e p r o p a g a t i o n sa n dt r a n s f o r mo fl a s e rb e a m st h r o u g har e l a ym i r r o ri nv a c u u ma l es t u d i e d i nd e t a i l s ，s u c ha st h ee f f e c t so fo b s c u r a t i o nr a t i oa n ds i z eo ft e l e s c o p e so nt h el o s so f e n e r g ya n dt h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na tt a r g e t t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em a x i u mp e a k i n t e n s i t ya n dt h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c ei so b t a i n e d 1 1 1 e “r d ，a f t e rs t u d y i n gt h ep r o p a g a t i o na n dt r a n s f o r mo fl a s e rb e a m si nv a c u u m ， t h ep r o p e r t i e so fl a s e rb e a mt h r o u g har e l a ym i r r o ri na t m o s p h e r ea r ea l s os t u d i e d w i t h t h eh e l po fe x t e n d e dh u y g e n s - f r e s n e lp r i n c i p l e ，t h ep r o p a g a t i o no fm u l t g a u s s i a n b e a m si ss t u d i e d 1 1 l ea n a l y t i c a le x p r e s s i o nf o ra v e r a g ei n t e n s i t ya tr e c e i v e ri so b t a i n e d b a s e do nt h es t u d i e so nt h ep r o p a g a t i o no fd a r kh o l l o wb e a m si nt u r b u l e n ta t m o s p h e r e i nas l a n tp a t h ，t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nt w oc a s s e g r a i nt e l e s c o p e sa r ea n a l y z e d a n dd i s c u s s e d t ou n d e r s t a n dt h er e a s o n st h a tc a u s et h eb e a ms p r e a d ，t h ev a r i a t i o n so f c o h e r e n c el e n g t ho fl a s e rb e a m st h r o u g har e l a ym i r r o ri nt u r b u l e n ta t m o s p h e r ei s s t u d i e d m e a n w h i l e ，晰mt h eu s eo fa d a p t i v eo p t i c s ，t h es p r e a d i n gd u et od i f f r a c t i o n ， t u r b u l e n c ea n dt h e r m a lb l o o m i n go fh i g he n e r g yl a s e ri na t m o s p h e r ei ss t u d i e d t h e s e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 r e s e a r c h e sa b o v es h o wt h a tt h ec o m p e n s a t i o nb yt h er e l a ym i r r o rs y s t e mo nt h e a b e r r a t i o no ft h er e v e i v el a s e rb e a mi si m p o r t a n t t h ef o r t h ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ea b e r r a t i o na n dt h ei n t e n s i t ya tf o c a lp l a n ea r e a n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so ft h et o pt e n t ha b e r r a t i o no nt h eo n a x i si n t e n s i t ya r es t u d i e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eo n a x i si n t e n s i t ys t r e h lr a t i oo re n c k c l e dp o w e rs t r e h lr a t i o a n dt h et u r b u l e n ta b e r r a t i o na r eo b t a i n e d a tt h ee n do ft h ep a p e r ，b a s e do nt h ew a v eo p t i c sc o m p u t e rc o d e ，t h ep r o p a g a t i o n s o fh i g hp o w e rl a s e rt h r o u g har e l a ym i r r o rs y s t e ma r es i m u l a t e d i ft h ec r i t e r i o no f p o w e rd e n s i t yi slk w c i f r o mt h es i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nw i t ht h ed i r e c t e d p r o p a g a t i o n ，w ec a ns e et h a tt h ea r e au n d e r6 k mf r o mt h eg r o u n dc a nn o tb ed e f e n d e d f o r3 8j t m , l md i a m e t e rt e l e s c o p ea n d6 0 0 k wp o w e rl a s e r b u t f o r3 8 b m 1 8 m d i a m e t e rt e l e s c o p ea n d1m w p o w e rl a s e r ，t h ea r e at h a tc a nb ed e f e n d e di sl a r g e ( a b o v e 2 k mf r o mt h eg r o u n d ) i far e l a ym i r r o ri su s e da sap l a t f o r mf o rf u r t h e ru pp r o p a g a t i o n ( t h ec r i t e r i o no fp o w e rd e n s i t yi s1 0 w c m ，t h em o s tr a n g ei s3 0 0 k mf o r3 8 p m ，lm d i a m e t e rt e l e s c o p ea n d6 0 0 k wp o w e rl a s e r ，6 0 0 k mf o r3 8 u m ，1 8 md i a m e t e rt e l e s c o p e a n d1m wp o w e rl a s e r t 1 1 es i m u l a t i o na l s os h o w st h a ti ft h ew a v e l e n g t ho fl a s e rb e a m i s1 0 6 i - t m ，t 1 1 ed e f e n c ea r e ai sm u c hl a r g et h a nt h a tf o r3 8 l l mi nt h es a l n ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：r e l a ym i r r o rs y s t e m ；p r o p a g a t i o na n dt r a n s f o r mo fa l a s e rb e a m ； a t m o s p h e r eo p t i c s ；a d a p t i v eo p t i c s 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1 遮拦比8 与归一化第一暗环半径的对应值( 单位：3 8 3 f ) 1 8 表3 2 遮拦比与对应的第一暗环环围能量百分比1 8 表3 3 不同遮拦比对应8 3 8 环围能量归一化半径( 单位：3 8 3 f ) 。18 表3 4 准直发射不同菲涅耳数对应的接收效率2 2 表3 5 直接聚焦发射不同菲涅耳数对应的接收效率2 4 表4 1 圆孔的复高斯函数展开系数4 2 表4 2 不同参数接收和发射间的耦合效率4 5 表4 3 近地面不同波长激光的大气吸收和散射系数5 2 表4 4 波长1 0 6 t i n 激光的大气光学特性参数5 2 表4 5 不同波长激光的光斑扩展情况5 3 表6 1 计算机数值仿真的参数选择8 1 表6 2 激光上行传输的光场特性( 质心单位：m ) 8 4 表6 3 波面z e m i k e 展开的前3 6 阶系数( 初始发射功率为l o o k w ) 8 5 表6 4 波面z e m i k e 展开的前3 6 阶系数( 初始发射功率为2 0 0 k w ) 8 5 表6 5 波面z e m i k e 展开的前3 6 阶系数( 初始发射功率为4 0 0 k w ) 8 5 表6 6 波面z e m i k e 展开的前3 6 阶系数( 初始发射功率为6 0 0 k w ) 8 5 表6 7 中继镜的接收效率与初始发射功率的关系8 6 表6 8 不同发射功率的波像差8 6 表6 9 爱利斑中心l o o c m 2 环围能量百分比与传输距离的关系8 6 表6 1 0 中继镜发射激光到不同位置的大气透过率8 7 表6 1 1 激光通过中继镜传输到不同位置的光斑特性8 8 表6 1 2 激光上行传输的光场特性9 0 表6 1 3 激光通过中继镜传输到不同位置的光斑特性9 2 表6 1 4 激光上行传输的光场特性9 2 表6 1 5 中继镜发射激光到不同位置的大气透过率9 3 表6 1 6 激光通过中继镜传输到不同位置的光斑特性9 3 表6 1 7 爱利斑中心l o o c m 2 环围能量百分比与传输距离的关系( 波长3 8 j m ，直径 为1 8 m ) 9 4 表6 1 8 激光由地面以不同角度传输不同距离的大气透过率( 波长3 8 p r o ) 9 4 表6 1 9 激光以不同天顶角直接传输不同距离的光斑特性9 6 表6 2 0 激光由地面以不同角度传输到不同高度的大气透过率9 7 表6 211 0 6 9 m 激光直接聚焦到目标的光斑特性9 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表6 2 2 不同传输距离对应的控制范围内的能量( 直径为l m ) 1 0 0 表6 2 3 不同传输距离对应的控制范围内的能量( 直径为1 8 m ) 1 0 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 激光通过中继系统传输示意图。1 图1 2 早期中继镜工作示意图3 图1 3 中继镜外场试验照片3 图1 4 双焦中继镜系统的主要子系统4 图2 1 全反射望远镜系统8 图2 2 双抛物面全反射望远镜系统8 图2 3 接收和发射望远镜共焦点对接示意图9 图2 4 接收和发射望远镜准直对接示意图9 图2 5 中继镜系统接收望远镜和发射望远镜间的连接示意图1 0 图2 6 中继镜光学实验平台1 1 图2 7 中继镜系统光路简图1 2 图3 1 理想条件下激光通过中继镜传输示意图1 5 图3 2 激光二次聚焦传输示意图1 6 图3 3 初始激光准直发射示意图1 6 图3 4 初始激光直接发射示意图1 7 图3 5 二次聚焦特性a ) 第一个焦平面光强，a ) 第二个焦平面光强2 0 图3 6 光强分布随菲涅耳数的演化2 1 图3 7 不同菲涅耳数对应的一维焦点光强分布2 2 图3 8 直接聚焦传输，光强分布随菲涅耳数的变化特性2 4 图3 9 目标的光强分布与发射激光菲涅耳数的关系2 4 图3 1 0 目标峰值光强与1 n f l 的变化关系2 5 图3 1 1 中继镜处的光斑分布。2 6 图4 1 大气层的相对尺度3 0 图4 2 可见及近红外激光l k m 水平传输大气透过率3 0 图4 3 中红外激光l k m 水平传输大气透过率谱31 图4 4 波长3 8 p r o 附近激光水平传输1 0 k i n 的大气透过率谱3 1 图4 5 陆地气溶胶模式下、2 3 千米可见度气溶胶对不同波长激光的消光系数3 2 图4 6 近地面两个高度折射率结构常数的典型变化特征3 2 图4 7 折射率结构常数的高度分布特征3 3 图4 8 两个高斯光束斜程传输的归一化光强特性与传输距离的关系3 7 图4 9 两个高斯光束斜程传输的归一化光强特性与波长和束腰的关系3 7 图4 1 0 四个高斯光束斜程传输的归一化光强特性与传输距离的关系3 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 l 四个高斯光束斜程传输的归一化光强特性与波长和束腰的关系3 9 图4 1 2 发射和接收示意图4 0 图4 1 3 峰值位置与不同参数的变化关系。4 1 图4 1 4 多高斯光束表示的空心光束桶中功率曲线4 1 图4 15 归一化光强分布特性的演变。4 4 图4 1 6 耦合效率与接收半径的关系，彳= 3 s g mf = x 6 4 5 图4 1 7 耦合效率和接收望远镜高度的关系4 6 图4 18 耦合效率和发射激光波长的关系4 6 图5 1 校正系统框图6 0 图5 2 校正控制图6 1 图5 3 剩余倾斜方差与控制带宽的关系6 4 图5 4 不同控制带宽，剩余倾斜方差与r o d 关系6 5 图5 5 变形镜控制带宽与校正能力的关系6 6 图5 6 变形镜时域校正能力与r o d 的关系6 7 图5 7 倾斜像差与轴上光强s t r e h l 比的关系6 9 图5 8 轴上光强s t r e h l 比与离焦像差的关系7 0 图5 9s t r e h l 比与像散像差的关系7 l 图5 1 0s t r e h l 比与慧差波相差的关系7 2 图5 1 ls t r e h l 比与二阶像散方差的关系7 3 图5 1 2 轴上光强s t r e h l 比与d r o 的关系7 4 图5 1 3 无中心遮拦时环围能量s t r e h l 比与d r o 的变化关系7 5 图6 1 风随高度变化廓线，a ) 风速的大小，b ) 风的方向8 2 图6 2 激光在自适应光学系统开环时传输到中继镜处的光强分布8 3 图6 3 激光在自适应光学系统闭环时传输到中继镜处的光强分布8 4 图6 4 发射激光器、中继镜和目标相对位置示意图8 7 图6 5 激光通过中继镜传输到不同位置的光斑分布8 9 图6 61 m w 激光在自适应光学系统闭环时传输到中继镜的光强分布。9 0 图6 7 激光通过中继镜传输到不同位置的光斑分布。9 1 图6 81 0 6 # m 、6 0 0 k w 激光闭环时传输到中继镜的光强分布9 2 图6 91 0 6 v m 激光由中继镜传输到不同位置的光强分布9 3 图6 1 0 激光以不同天顶角直接传输l o k m 的光斑9 5 图6 1 1 激光中继镜传输与直接传输防御范围比较9 6 图6 1 21 0 6 9 m 激光直接聚焦到目标的光强分布。9 7 图6 1 31 0 6 9 m 激光直接聚焦与通过中继镜传输的防御范围比较。9 8 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1 4 中继镜上行聚焦传输到l o o k m 的光斑特性( 发射望远镜直径l m ) 。1 0 0 图6 1 5 中继镜上行聚焦传输到l o o k m 的光斑特性( 发射望远镜直径1 8 m ) 1 0 0 图6 1 6l m 发射直径，6 0 0 k w 的激光直接聚焦传输的光斑特性1 0 2 图6 1 71 8 m 发射直径，1 m w 的激光直接聚焦传输的光斑特性1 0 2 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工咋的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：主缕鱼盈统邀迸笾捡量变迭鲍墼途塑塞 学位敝储擀：牮碜牛吼叫年f 月多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：主丝缝盈统邀逃篮捡生变垫煎堡途要塞 学位论文作者签名：笙绉t 蜱日期：力1 年，月夕 日 作者指导教师签名：垄啦日期：力匆年f 月吵日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 激光中继传输的意义 随着激光器输出功率的进一步提高，激光在空间防御和深空探测等领域的应 用有了可能。但是高能激光在大气中传输，目标上的功率并不是一直随着激光输 出功率的提高而提高，当激光输出功率达到某一值时，随着激光输出功率的提高， 目标上的功率反而降低【l j ，这种现象严重限制了高能激光在这些领域的应用。 自适应光学技术能够在一定程度上对高能激光大气传输进行补偿，被认为是 减少大气影响，扩大高能激光传输范围的有效手段之一。但是自适应光学技术依 赖信标光，而实际应用中并不是总能获得合适的信标光，限制了自适应光学技术 在这些领域的应用【2 】。自适应光学技术不仅受到信标光的限制，还受到激光畸变程 度的限制。实践证明，在低仰角，功率为百千瓦级以上的激光很难聚焦传输出去， 即使用自适应光学系统这种现象依然存在。这是因为当激光的畸变太大时，现有 的自适应光学系统无法对其进行校正 2 。 为了减少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，激光中继传输的概念被提了出来。所谓激光中继传输是指：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。如图1 1 所示。 图1 1 激光通过中继系统传输示意图 激光中继传输具有广阔的应用范围，在激光自由空间通信( f s o ) - ，由于通信 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的发送端和接收端之间必须是可视线的，即两终端之间不能有阻挡，因此需要对 激光进行中继传输。激光中继传输在激光通信领域的应用主要有激光地面点对点 通信和卫星激光通信两个方面。卫星激光通信就是利用人造卫星作为中继站转发 激光信号，让激光在大气层外完成主要的传输过程，降低大气对激光传输的影响， 实现卫星间以及卫星和地面间的通信；在激光地面点对点通信方面，利用中继系 统使激光绕开通信两端之间障碍物的阻挡，实现地面通信两端的可视线。在军事 上，用中继系统对地面发射来的强激光进行重新定向可以极大提高激光的传输距 离和防御范围。从已有的研究结果看，中继镜的应用在一定程度上解决了高能激 光的传输问题p 】。这是因为： ( 1 ) 中继镜和地面激光器间是完全合作的，如果目标的高度较高，如大于 1 0 k m ，激光由中继镜传输到目标可以认为是真空传输，解决了信标光问题。如果 目标的高度较低，避免了近地面稠密大气对激光传输的影响。 ( 2 ) 由于中继镜相对地面较高，仰角较大，且大气密度随高度的增加越来越 小，避免了激光由地面传输到中继镜的过程中光斑太小，因此减小了大气湍流和 热晕对激光传输的影响，增加了激光传输的最大功率。 ( 3 ) 中继镜可以对接收激光畸变进行校正，进一步减小了大气对激光传输的 影响。 相对将激光直接聚焦到目标，利用中继镜还有扩大视野，避免传输过程中障 碍物的遮挡等优点。激光通过中继镜传输也有其不足，例如延长了传输距离，增 加了系统的复杂性以及中继镜接收不可避免的能量损耗等。 1 2 中继镜研究概述 中继镜( a r m ) 是中继系统之一。美国的导弹防御系统开始于上世纪7 0 年代， 中继镜概念被认为是最有前途的导弹防御概念之一p j 。在中继镜3 0 多年的研究历 史中，美国投入了大量的人力和物力，取得了许多成绩。如1 9 9 0 年2 月1 4 日， 美国空军武器实验室利用安放在4 7 0 k i n 低轨卫星上的中继系统实现了对激光的中 继 4 1 ，如图1 2 所示【5 1 。在该试验中，地面激光器发射0 4 8 8 1 t m 氩激光作为上行传 输的信标光，1 0 6 4 p mn d ：y a g 激光作为中继主激光，目标发射0 5 1 4 p m 的激光作 为中继镜与目标的信标光，中继镜的接收和发射直径均为1 2 m 。该试验的成功说 明了激光通过中继镜传输的可行性，即利用中继镜系统能够将地面发射的激光重 新定向到其他的目标上【5 】。由于该试验发射的激光不是高能激光，而且激光源、目 标靶与中继镜系统之间均是合作的，因此相对比较容易实现。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图12 早期中继镜工作示意图 随着中继镜相关技术的发展以及在其他领域的应用，如光束控制技术、大功 率激光器、大尺度光学元件、光学镀膜和空间技术的发展，以及这些技术在机载 激光器( a b l ) 和天基激光器( s b l ) - 的应用，中继镜的研究也进入了一个新的阶段 。美国于本世纪陆续开展了一些强激光中继镜传输的试验。如美国空军研究实验 室( a f r l ) 于2 0 0 5 年夏天在实验室完成了空间中继镜系统( a r m s ) 验证试验，并于 2 0 0 6 年7 月成功地进行了野外试验，如图l3 所示( 图片来源：中国航空信息网) 。 该试验的中继镜试验机的高为48 m ，接收直径为07 5 m 试验中，中继镜试验机 被吊离地面3 04 8 埘，主激光为亚千瓦级。 图t3 中继镜外场试验照片 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 双焦中继镜系统毋i f o c a lr e l a ym i r r o r ) 是美国近年来主要研究的中继镜系统。 采用的是双用途光机结构，即实现日标跟踪的望远镜同时作为主激光的发射望远 镜，接收和发射望远镜均采用卡塞格林望远镜嘲。作为接收用的卡塞格林望远镜的 主镜接收地面发射来的高能激光，然后汇聚到其次镜上。次镜把接收的激光通过 具有自适应光学补偿功能的系统传输到发射望远镜的次镜上。该次镜把高能激光 扩束到发射望远镜的主镜上，并同时根据测得的中继镜到目标的距离，调节主、 次镜间距，最后把激光聚焦到目标上。双焦中继镜系统结构简囤如图1 0 所示( 图 片取至文献6 1 ) 。 害奴 回弋 ，o ji 图1 4 双焦中继镜系统的主要子系统 图1 4 所示的双焦中继镜系统按作用可以分为5 大部分【6 卜凹，即：1 、光束控 制子系统( b e a m c o n l i 0 1s u b s y s 忱m ) 。主要由主激光稳定系统、主激光净化系统和自 适应光学系统组成。2 、中继信标( r e l a y b e a c o n ) ，中继镜通过中继信标与地面发射 望远镜建立动态连接。3 、跟踪瞄准系统，控制中继镜的接收望远镜对准地面激光 源、中继镜的发射望远镜对准目标。4 、扩柬和聚焦系统，即为了使接收的激光能 够与中继镜系统耦合同时满足发射望远镜的需要，中继镜需要对接收的激光进 行必要的扩束和聚焦。5 、空间载体。即承载中继镜的空中平台。 从中继镜的研究现状和相关的技术水平看，目前制约中继镜应用的关键技术 主要有地面激光发射的控制技术，高性能光学元件的加工，中继镜接收望远镜与 地面发射望远镜的匹配，中继镜校正系统对接收激光的挣化a t p 系统的跟踪精 度和高能激光传输的自适应光学技术等。 1 3 论文的研究内容 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 本论文的研究内容主要有5 部分。第一部分( 第二章) ，从中继镜的功能出发， 分析中继镜的接收和发射方式，接收系统和发射系统间的对接方式，以及接收系 统和发射系统间的机械连接方式；结合激光斜程大气传输的一般特性，分析实现 激光中继镜传输所必需的光学子系统及其工作方式；研究提高中继镜性能可能面 临的问题以及解决问题的可能方法和途径。第二部分( 第三章) ，在第一部分研究基 础上，研究真空中激光中继镜传输和变换特性。主要研究平台光束不同的发射方 式对激光中继镜传输目标光斑的影响。不同的发射方式包括二次聚焦发射，准直 发射和直接聚焦发射。力争通过本部分的研究回答二次聚焦能否聚焦，中继镜传 输用什么发射方式最好，获得激光参数，光学系统参数和传输距离的匹配条件等， 为地面激光的发射方式和中继镜接收方式的选择提供理论依据，为中继镜的性能 评价提供参考。第三部分( 第四章) ，由于中继镜具体应用在真实的大气环境中，研 究真空中激光中继镜传输和变换特性是为中继镜的系统设计、性能评价提供参考， 因此还必须充分考虑大气对激光中继镜传输和变换特性的影响。本部分首先在激 光湍流大气传输理论基础上，研究多高斯光束在湍流大气中的斜程传输特性，地 面发射望远镜和中继镜接收望远镜在湍流大气中的耦合效率，以及湍流大气条件 下高斯光束中继镜传输的相干性下降和相应的光斑扩展特性等。然后在热晕的基 本理论和定标规律基础上，在考虑热晕和湍流相互作用下，研究激光斜程传输的 光斑扩展情况。该部分研究的主要目的是为中继镜主激光的波长和发射方式的选 择提供依据，为中继镜系统设计和参数选择提供参考。第四部分( 第五章) ，首先研 究中继镜校正系统的校正能力对中继镜性能的影响，校正剩余像差对远场光斑特 性的影响，以及湍流引起的波像差与远场光斑轴上光强s t r e h l 比和环围能量s t r e h l 比的关系。然后在综合激光中继镜传输特性、大气对激光中继镜传输特性的影响， 中继镜对接收激光的校正等多方面的基础上分析激光中继镜传输的目标光斑特 性。最后( 第六章) ，利用大气传输仿真程序对激光通过中继镜传输进行模拟，在低 空防御和高空传输两个方面与直接聚焦传输进行比较，通过分析比较说明激光中 继镜传输的优势及其适用条件。 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 参考文献 【1 】f gg e b h a r d t ，h i g hp o w e rl a s e rp r o p a g a t i o n ，a p p lo p t 1 5 ( 1 9 7 6 ) 2 】r k t y s o n ，p r i n c i p l e so f a d a p t i v eo p t i c s ，a c a d e m i c ，b o s t o n ( 19 91 ) 3 】m h a r t m a n ，s r e s t a i n o ，j b a k e r , d p a y n ea n dj e r r y