光斑均勻化在聲光偏轉(zhuǎn)相干探測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

何 寧，謝朝玲，郭求實(shí)

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004)

1 引言

相干光探測具有靈敏度高、轉(zhuǎn)換增益高、濾波性能好、抗干擾能力強(qiáng)、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、超精密測量、信號分析、激光雷達(dá)等重要領(lǐng)域，與常規(guī)直接探測相比，其探測靈敏度可提高20dB左右［1－2］。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)探測器光敏面上信號光與參考光的波形形狀、能量匹配、位相差、偏振態(tài)、光軸角度差、光學(xué)匹配及光敏面半徑等因素都會使探測效率受到影響［3－5］。聲光技術(shù)推動(dòng)了電子偵察測頻技術(shù)的發(fā)展，基于聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)建相干光探測系統(tǒng)可進(jìn)行全息探測，其高速并行處理、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于聲光信號處理中。由于系統(tǒng)中信號光會隨著射頻信號在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致兩束光重疊后的混頻效果受到一定程度影響。本文針對所研究的聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的光束特征，通過仿真構(gòu)建混頻光斑不同結(jié)構(gòu)，研究高斯光斑與矩形光斑的匹配特性，分析不同光束結(jié)構(gòu)對相干光探測效率的影響。

2 理論分析

2.1 聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)相干光探測原理

基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的相干光探測系統(tǒng)工作原理如圖1所示。激光器1輸出光束在聲光偏轉(zhuǎn)器發(fā)生聲光互作用，衍射后的1級信號光斑受射頻信號(RF)控制在一定角度范圍移動(dòng)，在分光片與經(jīng)過均勻化處理作為本振光的激光器2輸出光束合路傳輸，通過準(zhǔn)直和透鏡壓縮處理送光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號測量與處理。

圖1 聲光偏轉(zhuǎn)空間相干光探測工作原理框圖Fig.1 Schematic of coherent optical detection based on the acousto－optic diffraction effect

在聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，參考光的位置是相對固定的，但作用于聲光偏轉(zhuǎn)器的射頻信號頻率變化導(dǎo)致1級衍射光角度在一定范圍內(nèi)變化，入射到光電探測器上的信號光準(zhǔn)直性也將發(fā)生變化，在一定程度上影響了兩束光重疊后的混頻效果。本振光采用均勻化處理，使衍射信號光在本振光中移動(dòng)后重疊效率能保持一致，為了減小衍射光的變化角度，保證混頻光束與探測器光敏面匹配，因此，需要對這種狀態(tài)下的衍射信號光適當(dāng)進(jìn)行壓縮和準(zhǔn)直光學(xué)處理。

2.2 光斑均勻化

光斑均勻化，即將輸入光束的光強(qiáng)分布進(jìn)行均勻化處理，以得到光強(qiáng)分布較均勻的光束，其中最典型的應(yīng)用是將高斯光束處理為平頂光束。1965年，M.F.Frieden首次提出了非球面透鏡法，是最早的無能量損失的相位型光束整形系統(tǒng)［7－9］。非球面透鏡法基于簡單的幾何光學(xué)原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能量損失小，因此得到了廣泛應(yīng)用［10］。該方法的光斑均勻化原理如圖2所示，圖中x1為入射面上任意一光線的坐標(biāo)值，x2為與之對應(yīng)的出射平面的坐標(biāo)值，并且假設(shè)輸入光束的垂軸截面上x1處的光強(qiáng)分布為fG(x1)，輸出光束的光強(qiáng)分布為fP(x2)。由能量守恒定律可知，包含在x1范圍內(nèi)的能量與x2范圍內(nèi)的能量相等，即Ein=Eout，亦即:

圖2 光斑均勻化原理圖Fig.2 Scheme of beam uniformity

3 重疊光斑模型分析

相干光探測是利用兩個(gè)光斑的重疊部分進(jìn)行相干，重疊部分的面積即為相干光探測的有效面積。光斑能量等同于光強(qiáng)分布下的面積，對于連續(xù)光來說能量等效為平均光功率，設(shè)重疊部分能量與兩光斑的總能量之比k，即重疊效率。則k的表達(dá)式為:

式中，EO為兩光斑的重疊部分的能量;E1為光斑1的總能量;E2為光斑2的總能量。

由式(2)可知，重疊效率與重疊光斑能量大小成正比，探測效率則與重疊光斑入射到光電探測器的有效光敏面成正比。當(dāng)參考光的能量小于信號光時(shí)，重疊效率將會降低，相干作用不明顯，此時(shí)探測效率主要取決于信號光，相當(dāng)于光強(qiáng)探測。一般情況下本振光的能量至少會比信號光大一個(gè)數(shù)量級，重疊效率將隨著本振光能量提高而增加，變化趨勢與兩混頻光能量相等的情況一致。為了分析方便，這里主要針對兩束光能量相等的情況，數(shù)值仿真分析光軸偏移對光斑重疊效率的影響。

設(shè)兩混頻光斑總能量相等，光電探測器在光斑中心位置，光敏面的大小等于共軸時(shí)兩光斑重疊覆蓋面，則當(dāng)光軸發(fā)生偏移時(shí)有一部分重疊面積不能落到光敏面上。如圖3所示，圖3(a)給出矩形本振光和高斯信號光混頻時(shí)光軸偏移情況;圖3(b)給出高斯本振光和高斯信號光混頻時(shí)光軸偏移情況。

圖4給出了不同結(jié)構(gòu)光斑重疊時(shí)效率k隨光軸偏移量r0變化的曲線，從圖中可以看出:隨著偏移量的增大，重疊效率k不斷減小;當(dāng)偏移量在±0.5 mm內(nèi)時(shí)，Rect+Guass曲線較為平坦;Rect+Guass的重疊效率k從0.796開始減小，當(dāng)偏移量增大到0.4 mm時(shí)，k就降到 0.75，增大到 1 mm，k 降低到 0.55;Gauss+Gauss在沒有偏移的理想情況下k為1，當(dāng)偏移量增大到0.4 mm時(shí)，k就降低到0.72，增大到1 mm，k就已經(jīng)降低到0.45左右。分析表明，實(shí)際上很難做到光斑共軸，采用能量均勻分布的光束對相干光探測光路對準(zhǔn)有利，只要偏移量控制在一定范圍可保持較高的探測效率。

圖4 重疊效率k與光軸偏移量r0的關(guān)系Fig.4 Relation of k and optical axis deviation r0

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為了驗(yàn)證光斑重疊效率模型的有效性，搭建聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)相干光探測系統(tǒng)對光束特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。信號光直徑為1.5 mm高斯光斑，參考光為經(jīng)光束整形器輸出獲得直徑為3 mm的均勻光斑，通過合路、壓縮為2 mm的光斑入射到光電探測器。

4.1 光軸偏移與光電轉(zhuǎn)換效率

實(shí)驗(yàn)中在射頻信號作用下，衍射信號光在2 mm左右橫向移動(dòng)。圖5為重疊光束到達(dá)光電探測器時(shí)的光斑，設(shè)定光電探測器光敏面在中心位置，圖5(a)為完全準(zhǔn)直狀態(tài)下的圖，此時(shí)重疊光斑可以全部落到光敏面;圖5(b)為信號光左偏移1 mm的光斑，圖中左邊部分重疊光不能完全注入光敏面中。

圖5 到達(dá)光電探測器光敏面的光斑圖Fig.5 Image of coherent light beam arrive at photosensitive surface

圖6為光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效率η隨信號光光軸偏移變化的曲線。圖中曲線與圖4中Rect+Guass曲線形狀相近，可見光電轉(zhuǎn)換效率與光斑的重疊效率密切相關(guān)，η隨光斑在光電探測光敏面上的重疊效率增加而增加。由于重疊光斑偏離光敏面，η從光束完全準(zhǔn)直狀態(tài)下的0.75隨著偏移量r0的增大而降低，r0越大對光斑相干混頻的影響就越大。在r0為0.1 mm內(nèi)η下降緩慢趨于平緩，而大于0.1 mm時(shí)η迅速減小，所以在某種程度上可以說r0為0.1 mm內(nèi)時(shí)兩光束都處于準(zhǔn)直狀態(tài)，選用能量分布均勻的光斑更有利于光束準(zhǔn)直。

圖6 光電轉(zhuǎn)換效率與光軸偏移關(guān)系Fig.6 Relation of photoelectric conversion efficiency and optical axis deviation r0

4.2 中頻信號頻譜

系統(tǒng)在射頻中心頻率為400 MHz，帶寬為100 MHz進(jìn)行測試，用萬用表監(jiān)測光電探測器的直流輸出端的隨偏移量變化時(shí)電壓值，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到電功率變化規(guī)律;同時(shí)采用頻譜儀對比光電模塊中頻輸出信號頻譜進(jìn)行監(jiān)測，通過兩種輸出狀態(tài)比較兩者在光軸偏移與轉(zhuǎn)換效率變化趨勢的一致性。如圖7所示，射頻為420 MHz時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為75%和40%兩點(diǎn)的頻譜。由圖可見隨著光電轉(zhuǎn)換效率的降低，系統(tǒng)輸出的中頻信號功率也隨之減小，電功率與中頻信號功率輸出的變化趨勢是一致的。

圖7 不同光電轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)的頻譜圖Fig.7 Different photoelectric conversion efficiency corresponding spectrum

5 結(jié)論

從高斯光斑和矩形光斑混頻出發(fā)，分析了信號光偏移和本振光能量對相干光探測效率的影響，為后續(xù)相干光通信系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一些有益的參考。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光光束的準(zhǔn)直性、均勻性以及本振光的能量直接影響相干光探測性能，采用能量分布均勻的光斑有利于光束對準(zhǔn)和匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，相干光探測效率還與探測器的特性參數(shù)和光敏面尺寸的利用率有關(guān)，根據(jù)光電探測器的有效光孔可以適當(dāng)調(diào)節(jié)光斑大小以及光軸位置，以確保系統(tǒng)獲得最佳的探測效率。相干光探測技術(shù)在弱信號檢測中具有極大優(yōu)勢，研究激光光束的空間傳輸能量分布特性對實(shí)際應(yīng)用意義重大，在空間相干光探測系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各種因素，設(shè)計(jì)與之相匹配的光學(xué)系統(tǒng)，充分利用有效的光斑能量，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

［1］ Wang Chunhui，Gao Long，Pang Yajun，et al.Experiment investigation for relation between beam splitter coefficient and signal－to－noise ratio of 2μm balanced coherent system［J］.Acta Optica Sinica，2011，31(11):1104002 －1～1104002－6.(in Chinese)王春暉，高龍，龐亞軍，等.光束分束比對2μm平衡式相干探測系統(tǒng)信噪比影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(11):1104002－1～1104002－6.

［2］ Kamal K Das，Khan M Iftekharuddin.Heterodyne detection using Hexagonal Detector:Effects of beam profiles and phase front misalignment［C］.Proceedings of the IEEE，1997，1:476 －478.

［3］ Liang Qiaochuan，Wang Ying，Chen Peifeng，et al.Investigation of spatial mismatch problems in laser heterodyne detection［J］.Laser ＆ Infrared，2011，41(1):43 － 50.(in Chinese)梁喬春，王英，陳培鋒，等.激光外差探測中的空間失配問題研究［J］.激光與紅外，2011，41(1):43－50.

［4］ Wang Qi，Wang Chunhui，Shang Tieliang.Heterodyne efficiency of coherent detection with Gaussian local－oscillator and airy spot signal beam［J］.Chinese Journal of Lasers，2003，30(Suppl):183 －186.(in Chinese)王琪，王春暉，尚鐵梁.高斯本振光和愛里斑信號光相干探測的外差效率［J］.中國激光，2003，30(增刊):183－186.

［5］ Liu Hongzhan，Ji Yuefeng，Xu Nan，et al.Effect of amplitude profile difference of signal and local oscillator wave on heterodyne efficiency in the inter－satellite coherent optical communication system［J］.Acta Optica Sinica，2011，31(10):1006001 －1～1006001－6.(in Chinese)劉宏展，紀(jì)越峰，許楠，等.信號與本振光振幅分布對星間相干光通信系統(tǒng)混頻效率的影響［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(10):1006001 －1 ～1006001 －6.

［6］ Li Xiaona，He Ning，Deng Deying.Research on phenomenon of intermodulation in detection of multi－frequency signals based on acousto － optic deflection［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(9):2504 －2507.(in Chinese)李小納，何寧，鄧德迎.聲光偏轉(zhuǎn)多頻信號同時(shí)探測互調(diào)現(xiàn)象研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(9):2504 －2507.

［7］ DICKEY F M，HOLSWADE S C，et al.Laser beam shaping［J］.SPIE，2000，4095:1 －216.

［8］ Gao Yuhan，An Zhiyong，Li Nana，et al.Optical design of gaussian beam shaping［J］.Optics and Precision Engineering，2011，19(7):1464 －1470.(in Chinese)高瑀含，安志勇，李娜娜，等.高斯光束整形系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2011，19(7):1464 －1470.

［9］ Chen Kai.The research and design of the system that converting a Gaussian to a flattop beam［D］.Beijing:Beijing University of Technology，2011:11 － 22.(in Chinese)陳凱.高斯光束整形為平頂光束整形系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011:11－22.

［10］ Pan Yisi.Laser beam shaping using aspheric optical system［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2010:9 －29.(in Chinese)潘毅思.采用非球面光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光光束整形［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010:9－29.