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CN111245517A - 一种用于激光通信的1/4波片组件 - Google Patents

一种用于激光通信的1/4波片组件 Download PDF

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CN111245517A CN202010108340.1A CN202010108340A CN111245517A CN 111245517 A CN111245517 A CN 111245517A CN 202010108340 A CN202010108340 A CN 202010108340A CN 111245517 A CN111245517 A CN 111245517A
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Abstract

为提高激光通信收发通道系统的隔离度，本发明提供了一种用于激光通信的1/4波片组件，包括波片镜筒及依次设置的光阑压圈、消光玻璃、1/4波片和波片压圈；光阑压圈、波片压圈和波片镜筒均被染黑处理；光阑压圈用于遮挡部分杂光以及压紧消光玻璃；消光玻璃呈环状且内壁为锥面，其内壁小端靠近光阑压圈，其内壁小端孔径与光阑压圈中心孔径一致；波片镜筒包括中空圆柱状镜筒主体，其内依次设置有光阑压圈安装座、消光玻璃安装座、限位台阶一、限位台阶二、波片安装座和波片压圈安装座；波片安装座和波片压圈安装座均倾斜设置，以将1/4波片倾斜安装在波片镜筒主体内；消光玻璃靠近光阑压圈一侧端面中心至1/4波片中心的距离L满足：L＝(d1/2)×tan β+d1×cot 2β。

Description

一种用于激光通信的1/4波片组件
技术领域
本发明涉及空间激光通信中的光学和结构设计领域，具体涉及一种用于激光通信的1/4波片组件。
背景技术
近年以来，空间激光通信发展迅速。在星(卫星)地(地面)，星间(卫星之间)信息传输方面已经得到了广泛的应用。这极大地方便了人们的生活，也推动了不少其它领域技术的进步。为了更好地实现紧凑型、轻量化、低成本设计，激光通信收发通道往往共用一个光学支路。
1/4波片组件是激光通信收发通道的一个关键组件，在激光通信收发通道系统中的位置示意如图1所示。1/4波片组件的具体作用为：通信发射支路输出s光，入射至1/4波片组件，少量光会被1/4波片反射，大部分光透过1/4波片后，s光变成圆偏振光，由光学天线发射；接收时，进入系统的圆偏振光，透过1/4波片后，圆偏振光变成p光，随后进入接收支路。
1/4波片组件在进行通信发射任务时，少量光会被反射，从而会对其它装置造成干扰，影响整个激光通信收发通道系统的隔离度。就整个激光通信收发通道系统而言，隔离度、波像差以及系统收发偏振损耗是产品的关键性能指标。波像差与系统收发偏振损耗可以通过严格控制零件的加工、镀膜与检测来保证，而隔离度目前主要是采用机械结构遮光罩或者挡光环的方案来提高的，但是提高效果很不明显，且结构较为复杂，增加了机械加工成本。
发明内容
为了提高激光通信收发通道系统的隔离度，本发明提供了一种用于激光通信的1/4波片组件。
本发明的技术方案是：
一种用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：包括波片镜筒以及沿激光信号发射方向依次设置的光阑压圈、消光玻璃、1/4波片和波片压圈；光阑压圈、波片压圈和波片镜筒均被染黑处理；
光阑压圈为中空结构，内、外壁均呈喇叭形或锥形，中心孔径d1为实际通光孔径；光阑压圈用于遮挡一部分杂光以及压紧所述消光玻璃；
消光玻璃整体呈环状，消光玻璃内壁为锥面；消光玻璃内壁小端靠近光阑压圈，消光玻璃内壁小端孔径大小为d2，d2的大小与所述光阑压圈的中心孔径d1一致；
波片压圈用于压紧1/4波片；
波片镜筒包括镜筒主体和设置在镜筒主体外的用于将镜筒主体与其外部结构或组件连接的安装法兰；镜筒主体呈中空圆柱状，其内依次设置有用于安装光阑压圈的光阑压圈安装座、用于安装消光玻璃的消光玻璃安装座、用于对消光玻璃进行轴向限位的限位台阶一、用于对1/4波片进行限位的限位台阶二、用于安装1/4波片的波片安装座和用于安装波片压圈的波片压圈安装座；
波片安装座和波片压圈安装座均倾斜设置，以将1/4波片倾斜安装在波片镜筒主体内；
消光玻璃靠近光阑压圈一侧端面中心至1/4波片中心的距离L，L应该满足如下表达式：
L＝(d1/2)×tanβ+d1×cot 2β
其中，β为1/4波片所在平面与竖直方向平面的夹角；d1为光阑压圈的中心孔径。
进一步地，消光玻璃内壁的母线与轴线之间的夹角α为40-45度；1/4波片所在平面与竖直方向平面的夹角β为5-10度。
进一步地，消光玻璃的材料为SCHOTT KG5。
进一步地，0.99×d1≤d2≤d1。
进一步地，光阑压圈与波片镜筒主体、波片压圈与波片镜筒主体之间通过螺纹配合连接。
本发明的优点：
1.本发明提供了一种紧凑型的1/4波片组件，利用特殊的结构设计、材料的特殊物理属性，使得从1/4波片上反射的光尽可能地在1/4波片组件内被吸收掉，从而保证了激光通信收发通道系统较高的隔离度，进而有效保证了激光通信的效率和质量。
2.本发明加工装配简单、成本低、易实现。
附图说明
图1是1/4波片组件在激光通信收发通道中的位置示意图。
图2是本发明1/4波片组件的外观示意图一。
图3是本发明1/4波片组件的外观示意图二(另一视角)。
图4是本发明1/4波片组件的轴向剖视图。
图5是本发明1/4波片组件中光阑压圈的立体结构示意图。
图6是本发明1/4波片组件中光阑压圈的轴向剖视图。
图7是本发明1/4波片组件中消光玻璃的立体结构示意图。
图8是本发明1/4波片组件中消光玻璃的轴向剖视图。
图9是本发明1/4波片组件中1/4波片的立体结构示意图。
图10是本发明1/4波片组件中波片压圈的立体结构示意图。
图11是本发明1/4波片组件中波片镜筒的主视图。
图12是本发明1/4波片组件中波片镜筒的轴向剖视图。
图13是吸光端面至1/4波片的距离示意图。
图14是本发明1/4波片组件的工作原理示意图。
附图标记说明：
1-波片镜筒，11-光阑压圈安装座，12-波片压圈安装座，13-限位台阶一，14-限位台阶二，15-安装法兰，16-消光玻璃安装座，17-波片安装座，2-1/4波片，3-波片压圈，4-消光玻璃，41-消光玻璃内壁，5-光阑压圈，6-直角三角形一，7-直角三角形二。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
申请人通过对整个激光通信收发通道系统的计算分析发现，由1/4波片反射的少量的光，会对系统隔离度造成较大的影响。因此，本发明提供了一种1/4波片组件，以最大限度地在波片组件内吸收和消除这部分反射光，从而保证系统的高隔离度。
如图2-4所示，本发明的1/4波片组件包括波片镜筒1以及沿激光信号发射方向依次设置的光阑压圈5、消光玻璃4、1/4波片2和波片压圈3。光阑压圈5、波片压圈3和波片镜筒1均需要进行染黑处理，以便于吸收和消除杂散光。
如图5、6所示，光阑压圈5为中空结构，内、外壁均呈喇叭形或锥形，中心孔径d1为实际通光孔径，且其外壁的大径边缘处设置有螺纹；光阑压圈5有两个作用：一是可以遮挡一部分杂光；二是起到压圈的作用，可以压紧消光玻璃4。锥形光阑压圈5可以看作是光阑和压圈的集成，结构更加紧凑。将光阑压圈5内、外壁设计为喇叭形或锥形，可以使结构更轻。
如图7、8所示，消光玻璃4整体呈环状，消光玻璃内壁41为锥面，锥面的母线与轴线之间的夹角α为40-45度，以更好地吸收1/4波片2反射的杂光。消光玻璃内壁41小端靠近光阑压圈5，消光玻璃4内壁小端孔径大小为d2，d2的大小基本与光阑压圈5的中心孔径d1一致，考虑到机械加工会存在一定误差，0.99×d1≤d2≤d1。为进一步提高杂光的吸收率，消光玻璃4的材料优选SCHOTT KG5。
如图9所示，1/4波片2为圆柱状。
如图10所示，波片压圈3为圆环状，用于压紧1/4波片2；波片压圈3的外侧壁上设置有螺纹。
如图11、12所示，波片镜筒1包括镜筒主体和设置在镜筒主体外的用于将镜筒主体与其外部结构或组件连接的安装法兰15；镜筒主体呈中空圆柱状，其内依次设置有用于安装光阑压圈5的光阑压圈安装座11、用于安装消光玻璃4的消光玻璃安装座16、用于对消光玻璃4进行轴向限位的限位台阶一13、用于对1/4波片2进行限位的限位台阶二14、用于安装1/4波片2的波片安装座17和用于安装波片压圈3的波片压圈安装座12；光阑压圈安装座11和波片压圈安装座12上均设置有螺纹，从而实现光阑压圈5与波片镜筒主体、波片压圈3与波片镜筒主体之间的螺纹连接。波片安装座17和波片压圈安装座12均倾斜设置，以将1/4波片2倾斜安装在波片镜筒主体内，并且使得1/4波片所在平面与竖直方向平面的夹角β为5-10度，这样倾斜设置能使得1/4波片反射的光更容易地入射到消光玻璃4上。
如图13所示，为保证1/4波片2反射回去的光能够很好的被消光玻璃4吸收，保证高隔离度，本发明中的一个关键尺寸为消光玻璃4靠近光阑压圈5一侧的端面中心(即消光玻璃4的中心轴线与消光玻璃4靠近光阑压圈5的端面的交点)至1/4波片2的距离L，L应该满足如下表达式：
L＝(d1/2)×tanβ+d1×cot 2β。
上述公式的推导过程：
如图13所示，图13中画了两个直角三角形，直角三角形一6和直角三角形二7，其中：
直角三角形二7中较长的一条直角边的边长为L1；
直角三角形二7中较短的一条直角边的边长为d1；
直角三角形一6中较长的一条直角边的边长为d1/2；
直角三角形一6中较长的一条直角边的边长为L2；
则有：
L＝L1+L2；
L1＝d1×cot 2β；
L2＝(d1/2)×tanβ；
所以，
L＝(d1/2)×tanβ+d1×cot 2β。
本发明的原理：
如图14所示，当本发明的1/4波片组件进行激光发射通道的任务时，光从左侧的光阑压圈5打入，从右侧的1/4波片2射出。
当光从左侧射入后，来到1/4波片2处，大部分光透射通过1/4波片2(如图14中实线箭头所示)，少量的光被反射回去，(如图14中虚线箭头所示)。反射回去的光在消光玻璃4处基本可以被吸收(如图14中虚线箭头所示)，几乎不会有杂光从光阑压圈5露出；从而不会对其它装置造成干扰，可以使整个系统具有较好的隔离度。
1/4波片2在波片镜筒1中倾斜安装，倾斜角度为β(1/4波片2所在平面与竖直方向平面的夹角)。正是因为有了倾斜角β，使得反射的光更容易地反射到消光玻璃4上。

Claims (5)

1.一种用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：包括波片镜筒(1)以及沿激光信号发射方向依次设置的光阑压圈(5)、消光玻璃(4)、1/4波片(2)和波片压圈(3)；光阑压圈(5)、波片压圈(3)和波片镜筒(1)均被染黑处理；
光阑压圈(5)为中空结构，内、外壁均呈喇叭形或锥形，中心孔径d1为实际通光孔径；光阑压圈(5)用于遮挡一部分杂光以及压紧所述消光玻璃(4)；
消光玻璃(4)整体呈环状，消光玻璃内壁(41)为锥面；消光玻璃内壁(41)小端靠近光阑压圈(5)，消光玻璃(4)内壁小端孔径大小为d2，d2的大小与所述光阑压圈(5)的中心孔径d1一致；
波片压圈(3)用于压紧1/4波片(2)；
波片镜筒(1)包括镜筒主体和设置在镜筒主体外的用于将镜筒主体与其外部结构或组件连接的安装法兰(15)；镜筒主体呈中空圆柱状，其内依次设置有用于安装光阑压圈(5)的光阑压圈安装座(11)、用于安装消光玻璃(4)的消光玻璃安装座(16)、用于对消光玻璃(4)进行轴向限位的限位台阶一(13)、用于对1/4波片(2)进行限位的限位台阶二(14)、用于安装1/4波片(2)的波片安装座(17)和用于安装波片压圈(3)的波片压圈安装座(12)；
波片安装座(17)和波片压圈安装座(12)均倾斜设置，以将1/4波片(2)倾斜安装在波片镜筒主体内；
消光玻璃(4)靠近光阑压圈(5)一侧端面中心至1/4波片(2)中心的距离L，L应该满足如下表达式：
L＝(d1/2)×tanβ+d1×cot 2β
其中，β为1/4波片(2)所在平面与竖直方向平面的夹角。
2.根据权利要求1所述的用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：消光玻璃内壁(41)的母线与轴线之间的夹角α为40-45度；1/4波片(2)所在平面与竖直方向平面的夹角β为5-10度。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：消光玻璃(4)的材料为SCHOTT KG5。
4.根据权利要求3所述的用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：0.99×d1≤d2≤d1。
5.根据权利要求4所述的用于激光通信的1/4波片组件，其特征在于：光阑压圈(5)与波片镜筒主体、波片压圈(3)与波片镜筒主体之间通过螺纹配合连接。
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