空间激光通信系统像差影响分析及远场分布

"这篇学术文章探讨了像差对空间激光通信系统发射光束远场分布的影响，基于菲涅耳标量衍射理论进行了深入研究。文章提出了一个利用相似度系数优化采样间隔的方法，以精确模拟离焦状态下的光斑分布。通过傅里叶变换法仿真了存在像差条件下的远场分布，并分析了关键参数如角位移、发散角、增益等对光场分布的效应。此外，文章根据公差分配理论，给出了离焦、倾斜、球差、慧差、像散的容差限制，为实际系统设计提供了参考。" 在激光通信领域，尤其是空间激光通信，像差是影响光束质量和传输效率的重要因素。本文基于菲涅耳标量衍射理论，这是一种描述光波传播的数学模型，用于计算离焦状态下激光发射系统的远场光斑分布。光斑分布的解析式推导有助于理解和预测光束在传输过程中的变形。 作者提出了一种基于相似度系数的采样间隔寻优法，该方法能够优化数值仿真中的采样策略，确保仿真结果与解析计算之间的偏差极小（小于0.04%）。通过这种方法，可以更准确地评估离焦状态对光束分布的影响。 随后，文章利用傅里叶变换来模拟存在像差的情况，这是一种强大的工具，可以揭示光束在传播过程中的变化。通过这种仿真，作者分析了角位移、发散角和增益等关键参数如何改变光场的分布特性。角位移可能由于激光器的不稳定或者指向误差导致，发散角影响光束的扩散程度，而增益则关系到信号强度的保持。 在具体应用中，比如当激光波长为λ，允许的指向偏差为3微弧度，中心增益裕量为3dB时，文章给出了各像差类型的容差值：离焦容差小于等于0.36λ，倾斜容差小于等于0.07λ，球差容差小于等于0.43λ，慧差容差小于等于0.13λ，像散容差小于等于0.5λ。这些容差值对于实际系统的设计和优化具有重要的指导意义，可以帮助工程师在满足通信性能的同时，减少因像差引起的损失。 这篇文章深入研究了像差对空间激光通信系统发射光束远场分布的影响，提供了理论分析和实用的容差标准，对于提升空间激光通信的效率和可靠性具有重要意义。