GLAD：地对空激光通讯系统

本例为一束激光从地基激光器出发传输到近地轨道上的一个转换镜上。转换镜将激光反射到一个聚焦镜上，然后这束光打到大气层内部一个低海拔的目标上。根据Kolmogorov模型，假设目标值的半径为10cm，就可以计算大气像差。本例中包含了激光扩束器像差、转换镜上的像差以及聚焦镜上的像差。

大气模型假设的波阵面光谱功率为（忽略内部和外部的尺寸限制）：

 

 

其中W^2 (f)是波阵面的光谱功率，r0为可视参数，f是空间频率，L0是外部尺寸，Li是内部尺寸，这些参数的单位分别为rad，m，m-1。由于大气像差和光束扩束器的像散，斯特列尔比SR=0.34。经过一个激励器影响半径为4.0cm的自适应镜校正后，斯特列尔比为0.87。经过全程传播到达目标后，光斑直径为50cm，剩下56%的能量，相对于没有自适应镜时能量的22%，有了明显的提高。由于没有考虑大气对光学元件散射效应的衰减效应，所以实际中传输到的光更加少。

 

图1.地对空激光通信系统示意图

表1.关键参数

 

###激光器光束初始化

set/alias/off

wavelength/set 1 .48               # 设置激光器波长

array/set 1 256                    # 设置计算初始矩阵大小

units/s 1 .1

gauss/c/c 1 1 1.25                 # 定义高斯光束

clap/cir/con 1 1.25

energy/norm 1 1.                   # 能量归一化设置

set/density 64                     # 设置画图线条密度

title 1: starting laser distribution

plot/watch ex26_1.plt

plot/liso nsl=64 xr=1.5 yr=1.5       # 绘制激光束初始强度曲线

####激光器初始光束相位分布如图1所示：

 

图1激光器光束初始分布

 

##光束扩束器（20X）模拟

mirror 1 20 focallength            # 扩束器透镜1焦距设置为20cm.

dist -420                          # 透镜分离

mirror 1 400 focallength           #扩束器透镜2焦距设置为400cm.

abr/ast 1 .2 45                    # 光束峰谷像散设置

clap/cir/con 1 25                  # 设置孔径光阑直径50

phase/random/kolmogorov 1 10. 7    # 光束附加大气像差

strehl

title 2: phase after beam expander and atmoshpheric turbulence

plot/watch ex26_2.plt

plot/liso/phase xr=30 yr=30 nsl=64 min=-6 max=6

 

图2.经过扩束器及大气干扰后光束相位分布

 

####光束传输至自适应镜

adapt 1. 4.                        # 自适应镜对光束的曲率半径影响为4cm

strehl

title 3: phase after adaptive optic correction

plot/watch ex26_3.plt

plot/liso/phase xr=30 yr=30 nsl=64 min=-6 max=6 2

####光束经过自适应镜之后的相位分布如图3

 

图3.光束经过自适应镜校正之后的相位分布

 

####光束传输至转换镜

dist 5e7                           #光束传输500km至转换镜

title 4: irradiance at relay mirror before aperture

plot/watch ex26_4.plt

plot/liso xr=300 yr=300 nsl=64

####光束到达转换镜前的相位分布如图4所示：

 

图4.光束到达转换镜前的相位分布

 

####光束传输经过转换镜

clap/cir/con 1 75                  # aperture of 1.5 m. dia. for relay

title 5: irradiance at relay mirror after aperture

plot/watch ex26_5.plt

plot/liso xr=300 yr=300 nsl=64

mirror 1 3e8 foc

abr/ast 1 .3 90

####光束经过转换镜后相位分布如图5所示：

 

图5.光束经过转换镜后相位分布

 

####光束传输至聚焦镜

dist 3e8                           #光束传输3000km至聚焦镜

clap/cir/con 1 200                 # 聚焦镜孔径直径4m

energy

title 6: irradiance on focusing mirror

plot/watch ex26_6.plt

plot/liso xr=300 yr=300 nsl=64

####光束传输至聚焦镜相位分布如图6所示：

 

图6.光束传输至聚焦镜相位分布

 

####光束经过聚焦镜传输至聚焦靶面后相位分布

phase/random 1 .1 50               # 聚焦镜附加随机像差

mirror 1 5e7 focallength           # 聚焦镜焦距500km

dist 5e7                           # 传输至靶面

clap/cir/con 1 25                  # 设置出瞳孔径直径50cm

energy

title 7: target irradiance inside 50 cm.

plot/watch ex26_7.plt

plot/liso xr=50 yr=50 nsl=64

end

####光束传输至聚焦靶面后相位分布如图7所示：

 

图7.光束传输至聚焦靶面后相位分布