圖1 激光通信自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)示意圖
圖2 衛(wèi)星高角36°時(shí)(r0=4cm)AO校正前后波前畸變(左)和光斑抖動(dòng)(右)
圖3 AO校正前和校正后的單模光纖接收功率
激光通信系統(tǒng)是以激光為信號(hào)載體，通過(guò)對(duì)激光的調(diào)制解調(diào)來(lái)進(jìn)行信息傳輸，具有高速、大容量和安全保密的特性，是解決未來(lái)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)途徑之一。長(zhǎng)期以來(lái)，星地鏈路存在的大氣湍流效應(yīng)造成信號(hào)光束波前畸變、光斑彌散、抖動(dòng)，影響地面信號(hào)光能量接收，特別是使相干激光通信的單模光纖接收尤為困難。在不進(jìn)行大氣湍流抑制的情況下，相干激光通信系統(tǒng)在常規(guī)的大氣湍流條件下幾乎無(wú)法工作。為實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠的星地激光通信，大氣湍流干擾問(wèn)題必須解決。
自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive optics, AO）是一項(xiàng)使用可變形鏡面校正因大氣抖動(dòng)造成光波波前發(fā)生畸變，從而改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)性能的技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所姜文漢院士于1979年在國(guó)內(nèi)率先開展自適應(yīng)光學(xué)研究，突破了波前校正器(包括變形反射鏡和高速傾斜反射鏡)、波前傳感器、波前處理機(jī)和波前控制等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,研制了一系列自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),用于天文望遠(yuǎn)鏡高分辨率成像、ICF波前控制和活體人眼視光學(xué)研究等。針對(duì)激光通信中大氣湍流抑制問(wèn)題，光電所自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究室在國(guó)內(nèi)率先開展了激光通信自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究，解決了大氣動(dòng)態(tài)波前高精度校正、高效率空間光至單模光纖耦合、同頻收發(fā)下大氣后向散射的波前干擾等技術(shù)問(wèn)題。2012年至今，已完成了多套大口徑激光通信自適應(yīng)光學(xué)地面站的研制。
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)為星地相干激光通信提供了良好的解決方案，解決了其星地通信的可靠性問(wèn)題，使得其適應(yīng)大氣湍流的能力顯著增強(qiáng)。從幾乎不可用變成夜間全時(shí)段和部分白天時(shí)段均可連續(xù)工作，大大提高了激光通信系統(tǒng)在大氣湍流條件下的可用性，下一步團(tuán)隊(duì)將向構(gòu)建單站可全天時(shí)工作的激光通信系統(tǒng)而努力。