一种多路主动共轴发射的光学终端

1.本实用新型涉及一种多路主动共轴发射的光学终端，其为多路合束、主动共轴、出射方向可变的激光发射装置，属于激光通信、激光传输应用领域。在空间激光通信、星地激光通信、光学遥测跟踪、自适应光学的信标发射、激光传输等领域有广泛的应用。

背景技术：

2.激光发射系统广泛应用于空间激光传输的各个领域，包括空间激光通信、星地激光通信、自适应光学系统的信标发射、光学遥测跟踪等。一方面，这些应用具有传输距离远、传输通道条件复杂等特点，需要信标发射激光具有较高的出射功率。单路高功率激光器的成本高、体积重量大、安全性差，不利于实现信标发射终端的小型化、轻量化、集成化和低成本的目标。另一方面，在光学遥测跟踪领域，存在着粗跟踪和精跟踪不同的需求。在粗跟踪环节，由于目标位置的不确定性，需要信标激光具有较大的发散角，以减小搜索难度；在精跟踪环节，需要信标激光具有较小的发散角，以提高探测功率，实现探测时间更短的高精跟踪。传统固定发散角的信标发射器难以满足这样的需求。此外，对于激光通信应用领域，由于距离遥远，同时光束的有限速度传播特性导致激光需要以一定的提前角发射。
3.目前，已经公布的信标激光合束装置均采用基于倾斜镜控制的合束方式。该方法增加了发射光路的复杂度，减小了有效出射激光功率，无法实现小型化、轻量化的目标。同时，已公布的信标发射装置均无法实现发射激光发散角的实时在线可调，不能满足不同精度的跟踪需求。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题为：克服多路激光发射中的激光主动共轴合束问题，克服每一路激光均需要采用倾斜镜校正的复杂、昂贵发射系统的问题。可以通过主动控制光纤头的位置，实现每路激光发射方向的控制，以实现主动共轴、提前角发射、可变发散角等复合功能。
5.本实用新型采用的技术方案为：提供了一种多路主动共轴发射的光学终端，包括发射望远镜系统100、探测光学系统101和激光合束发射系统102，三者按照该顺序沿着主光路依次排列。
6.所述探测光学系统101包括角反1011、分光镜1012、聚光镜头1013和探测器1014组成。当发射激光时，来自所述激光合束发射系统102的激光，大部分透过所述分光镜1012，进入主光路，由所述发射望远镜系统100发出，小部分被所述分光镜1012反射进入所述角反1011，被其反射后透过所述分光镜1012，被所述聚光镜头1013会聚后进入所述探测器1014，用于探测各路发射光束的光轴方向，为主动控制发射激光的方向提供信号。
7.当接收外面传播过来的信标光时，信标光沿着主光路传播，经过所述发射望远镜系统100后到达所述探测光学系统101，被所述分光镜1012反射后，被所述聚光镜头1013会聚后进入所述探测器1014，以获得接收光轴位置，为发射光轴提供参考。
8.所述激光合束发射系统102包括n路(n的取值为大于等于1的正整数)发射准直模块1021。所述发射准直模块1021用于准直激光并调整光纤激光的发射方向。
9.所述发射准直模块1021包括光纤头10212和准直透镜组10211。所述光纤头10212发出的激光，经过所述准直透镜组10211准直后发出。
10.优选地，所述激光合束发射系统102还包括合束镜组1022，用于把n路的由所述发射准直模块1021发出的激光合成为近一个方向从主光路发射出去。所述合束镜组1022可为棱锥反射镜、棱柱反射镜、分光镜或反射镜。
11.优选地，所述发射望远镜系统100是折射式系统、反射式系统或者折反混合式系统。
12.优选地，所述发射望远镜系统100是同轴反射式系统或离轴反射式系统。
13.优选地，所述光纤头10212可以是多模光纤或单模光纤。
14.优选地，所述光纤头10212可以在垂直于光轴的平面内运动，以控制激光的发射方向。
15.优选地，所述光纤头10212可以在沿光轴的方向上前后移动，以调节发散角的大小。
16.优选地，所述光纤头10212由压电陶瓷驱动，可以在垂直于光轴的平面内二维运动，以控制激光的发射方向，其控制信号的信号源为所述探测光学系统101中的所述探测器1014探测到的发射光轴和接收光轴信息。
17.优选地，所述光纤头10212可以在沿光轴的方向上由平移台驱动其沿着光轴前后移动，以调节发散角的大小。
18.优选地，探测器1014探测各路光纤激光的远场分布，通过随机并行梯度下降算法(spgd)，控制各路的所述光纤头10212在垂直光轴平面内的位置，以实现各路远场重合，形成n路共轴点，从而实现n路发射光束主动共轴发射。或更进一步，通过实时控制共轴点的位置，还能以一定提前角主动共轴发射。
19.与现有技术相比，本实用新型具有显著优点。
20.(1)本实用新型采用多个发散角、发射方向可变的光纤激光发射准直模块组成合束装置，实现在一定范围内任意角度的多路激光主动共轴发射，具有结构简单、紧凑、成本更低、精度更高等优点。
21.(2)本实用新型利用角反与探测器等组成的探测光学系统对各路激光的发射方向以及对从目标传输过来的信标光进行实时在线监测，能够实现接收光轴和发射光轴的实时监测，为控制发射光轴提供了反馈信号源，以实现主动共轴发射功能和以提前角发射等功能。
22.(3)本实用新型采用高精度平移台实现发散角可变的信标发射，能够满足不同信标发散角的需求，具有实时性高，调节范围广等优点。
附图说明
23.图1为本实用新型一种多路主动共轴发射的光学终端结构示意图，其中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为第四透镜，100为发射望远镜系统，101为探测光学系统，102为激光合束发射系统，1011为角反，1012为分光镜，1013为聚光镜头，1014为探测器，
1021为发射准直模块，1022为合束镜组，10211为准直透镜组，10212为光纤头；
24.图2为多模光纤共轴发射装置共轴过程示意图。
具体实施方式
25.下面结构附图以及具体实施方案进一步说明本实用新型，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
26.如图1所示，根据本实用新型实施例的一种多路主动共轴发射的光学终端，包括发射望远镜系统100、探测光学系统101和激光合束发射系统102，三者按照该顺序沿着主光路依次排列，即发射望远镜系统100通过第一透镜1和第二透镜2组成的中继光路与探测光学系统101连接，探测光学系统101又通过第三透镜3和第四透镜4组成的中继光路与激光合束发射系统102连接。所述发射望远镜系统100可以是折射式系统、反射式系统或者折反混合式系统，当其为反射式系统时又可以是同轴反射式系统或离轴反射式系统。本实施例选择同轴反射式望远镜，主镜口径φ1760mm。每路发射激光在发射望远镜主镜处的口径为φ606mm，每路激光的初始发散角为100μrad，在主镜处，多路激光形成梅花状分布，本实施例采用4路激光发射，4路激光的中心波长均在830nm波段。
27.探测光学系统101包括角反1011、分光镜1012、聚光镜头1013和探测器1014组成。聚光镜头1013为一个双胶合透镜。探测器1014为可见光波段ccd探测器，可探测830nm波段。
28.发射激光中心波长为830nm，当发射激光时，来自所述激光合束发射系统102的激光，大部分99.9％透过所述分光镜1012，进入主光路，由所述发射望远镜系统100发出，小部分0.1％被所述分光镜1012反射进入所述角反1011，被其反射后透过所述分光镜1012，被所述聚光镜头1013会聚后进入所述探测器1014，用于探测各路发射光束的光轴方向，为主动控制发射激光的方向提供信号，即提供发射激光的远场图像。
29.当接收外面传播过来的信标光时，信标光沿着主光路传播，经过所述发射望远镜系统100后到达所述探测光学系统101，被所述分光镜1012反射后，被所述聚光镜头1013会聚后进入所述探测器1014，以获得接收光斑图像，即接收光轴位置，为发射光轴提供参考。
30.所述激光合束发射系统102包括4路发射准直模块1021和合束镜组1022。合束镜组1022可为棱锥反射镜、棱柱反射镜、分光镜或反射镜之一。本实施例选择四棱锥反射镜，用于把4路的由所述发射准直模块1021发出的激光合成为近一个方向从主光路发射出去。所述发射准直模块1021用于准直激光并调整光纤激光的发射方向。其包括光纤头10212和准直透镜组10211。所述光纤头10212发出的激光，经过所述准直透镜组10211准直后发出。光纤头10212可为多模光纤或者单模光纤，本实施例为830nm多模光纤。
31.所述光纤头10212可以在垂直于光轴的平面内运动，以控制激光的发射方向，还可以在沿光轴的方向上前后移动，以调节发散角的大小。
32.本实施例的光纤头10212由压电陶瓷驱动，可以在垂直于光轴的平面内二维运动，以控制激光的发射方向，其控制信号的信号源为所述探测光学系统101中的所述探测器1014探测到的发射光轴和接收光轴信息。
33.探测器1014探测的发射光轴和接收光轴信息是各路光纤激光的远场分布，通过随机并行梯度下降算法(spgd)，控制各路的所述光纤头10212的在垂直光轴平面内的位置，以实现各路远场重合，形成n路共轴点，从而实现n路发射光束主动共轴发射。如图2所示，图2
(a)为初始的4路发射远场的情况，标定中心为接收激光的中心点，多模远场为发射光斑的图像；图2(b)为通过spgd算法，通过合理控制4路光纤头的位置后，远场光斑逐渐重合；图2(c)为4路发射激光远场重合后的情况。这时4路激光已经实现主动共轴。
34.更进一步，本实施例中，还通过实时控制共轴点的位置，可以实现有提前角的主动共轴发射。
35.本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述多路主动共轴发射的光学终端包括发射望远镜系统(100)、探测光学系统(101)和激光合束发射系统(102)，发射望远镜系统(100)、探测光学系统(101)和激光合束发射系统(102)按照主光路依次排列；所述探测光学系统(101)包括角反(1011)、分光镜(1012)、聚光镜头(1013)和探测器(1014)，当发射激光时，来自所述激光合束发射系统(102)的激光，大部分透过所述分光镜(1012)，进入主光路，由所述发射望远镜系统(100)发出，小部分被所述分光镜(1012)反射进入所述角反(1011)，被其反射后透过所述分光镜(1012)，被所述聚光镜头(1013)会聚后进入所述探测器(1014)，用于探测各路发射光束的光轴方向，为主动控制发射激光的方向提供信号；当接收外面传播过来的信标光时，信标光沿着主光路传播，经过所述发射望远镜系统(100)后到达所述探测光学系统(101)，被所述分光镜(1012)反射，被所述聚光镜头(1013)会聚后进入所述探测器(1014)，以获得接收光轴位置，为发射光轴提供参考；所述激光合束发射系统(102)包括n路发射准直模块(1021)，n的取值为大于等于1的正整数，所述发射准直模块(1021)用于准直激光并调整光纤激光的发射方向；所述发射准直模块(1021)包括光纤头(10212)和准直透镜组(10211)，所述光纤头(10212)发出的激光，经过所述准直透镜组(10211)准直后发出。2.根据权利要求1所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述激光合束发射系统(102)还包括合束镜组(1022)，用于把n路的由所述发射准直模块(1021)发出的激光合成为近一个方向从主光路发射出去；所述合束镜组(1022)可为棱锥反射镜、棱柱反射镜、分光镜或反射镜。3.根据权利要求1所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述发射望远镜系统(100)是折射式系统、反射式系统或者折反混合式系统。4.根据权利要求1或3所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述发射望远镜系统(100)是同轴反射式系统或离轴反射式系统。5.根据权利要求1所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述光纤头(10212)可以是多模光纤或单模光纤。6.根据权利要求1所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述光纤头(10212)可以在垂直于光轴的平面内运动，以控制激光的发射方向。7.根据权利要求1或6所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述光纤头(10212)可以在沿光轴的方向上前后移动，以调节发散角的大小。8.根据权利要求1或6所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述光纤头(10212)由压电陶瓷驱动，可以在垂直于光轴的平面内二维运动，以控制激光的发射方向，其控制信号的信号源为所述探测光学系统(101)中的所述探测器(1014)探测到的发射光轴和接收光轴信息。9.根据权利要求7或8所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，所述光纤头(10212)可以在沿光轴的方向上由平移台驱动其沿着光轴前后移动，以调节发散角的大小。10.根据权利要求1或9所述的一种多路主动共轴发射的光学终端，其特征在于，探测器(1014)探测各路光纤激光的远场分布，通过随机并行梯度下降算法(spgd)，控制各路的所
述光纤头(10212)在垂直光轴平面内的位置，以实现各路远场重合，形成n路共轴点，从而实现n路发射光束主动共轴发射，或更进一步，通过实时控制共轴点的位置，还能以一定提前角主动共轴发射。

技术总结

本实用新型公开了一种多路主动共轴发射的光学终端，包括发射望远镜系统(100)、探测光学系统(101)和激光合束发射系统(102)，三者按照该顺序沿着主光路依次排列。本实用新型利用角反与探测器等组成的探测光学系统对各路激光的发射方向以及对从目标传输过来的信标光进行实时在线监测，能够实现接收光轴和发射光轴的实时监测，为控制发射光轴提供了反馈信号源，以实现主动共轴发射功能和以提前角发射等功能。同时，本实用新型采用多路发散角、发射方向可变的光纤激光发射准直模块组成合束装置，实现在一定范围内任意角度的多路激光主动共轴发射，具有结构简单、紧凑、成本更低、精度更高等优点。高等优点。高等优点。