激光技术的研究进展论文怎么写

激光发展史激光以全新的姿态问世已二十余年。然而，发明激光器的历程却鲜为人知，至于发明者如何从事艰难曲折的探索，就更少人问津了。其实，每一项重大发明，都是科学家们智慧的结晶，里面包涵着他们的汗水和心血。自然，激光器的发明也不例外。 说得准确些，对激光的研究，只是到了20世纪50年代末才出现一个崭新阶段。在此之前，人们只对无线电波和微波有较深研究。科学家们把无线电波波长缩短到十米以内，使得世界性的通讯成为可能，那是30年代的事情。后来，随着速调管和空穴磁控管的发明，科学家便对厘米波的性质进行研究。二次世界大战中，由于射频和光谱学的发展，辐射波和原子只间的联系又重新被强调。大战期间，科学家们发明并研制了雷达（战争对雷达的制造起了推动的作用）。从技术本身来说，雷达是电磁波向超短波、微波发展的产物。大战以后，科学家又开创了微波波谱学，目的是探索光谱的微波范围并把其推广到更短的波长。当时，哥仑比亚大学有一个由汤斯（）领导的辐射实验小组，他们一直从事电磁方面以及毫米辐射波的研究。1951年，汤斯提出了微波激射器（Maser全称Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的概念。经过几年的努力，1954年汤斯和他的助手高顿（J. Cordon）、蔡格(H. Zeiger)发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。当时，汤斯希望微波激射器能产生波长为半毫米的微波，遗撼的是，激射器却输出波长为1。25cm的微波。微波激射器问世以后，科学家就希望能制造输出更短波长的激射器。汤斯认为可将微波推到红外区附近，甚至到可见光波段。1958年，肖洛（）与汤斯合作，率先发表了在可见光频段工作的激射器的设计方案和理论计算。这又将激光研究推上了一个新阶段。现在，人们都知道，产生激光要具备两个重要条件：一是粒子数反转；二是谐振腔。值得注意的是，自1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念以后，1940年前后就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子反转现象。按当时的实验技术基础，就具备建立某种类型的激光器的条件。但为什么没能造出来呢？因为没有人，包括爱因斯坦本人没把受激辐射，粒子数反转，谐振腔联系在一起加以考虑。因而也把激光器的发明推迟了若干年。在研究激光器的过程中，应把引进谐振腔的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构，就是从法——珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法——珀干涉仪结构着手研究，是很自然的。”实际上，干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中，积累了大量数据，于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时，许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法，用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全彻底地受到灌输，使我相信，可以在气体中做的任何事情，在固体中同样可以做，且在固体中做得更好些。因此，我开始探索、寻找固体激光器的材料…...”的确，不到一年，在1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运。”遗撼的是，肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转，因而没获成功。可喜的是，科学家迈曼（）巧妙地利用氙灯作光抽运，从而获得粒子数反转。于是，1960年6月，在Rochester大学，召开了一个有关光的相干性的会议，会议上，迈曼成功地操作了一台激光器。7月份，迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此，世界上第一台激光器宣告诞生。激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始，人们就预言了它的美好前景。20多年来，人们制造了输出各种不同波长的激光器，甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功，又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器，机制则完全不同，它的工作物质是具有极高能量的自由电子，人们可以期望通过这种激光器，实现连续大功率输出，而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 能发1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年.肖洛和.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（ 见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。 激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。 激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 按工作物质分类 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。 按激励方式分类 ①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。③化学激光器。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。④核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。 按运转方式分类 由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。②单次脉冲激光器，对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。③重复脉冲激光器，这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。④调激光器,这是专门指采用一定的 开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光器，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡 (开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开 开关，从而可在较短的时间内（例如10～10秒）形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出（见技术'" class=link>激光调 技术）。⑤锁模激光器，这是一类采用锁模技术的特殊类型激光器，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲（脉宽10～10秒）序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲（见激光锁模技术）。⑥单模和稳频激光器，单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器，稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光器件（见激光稳频技术）。⑦可调谐激光器，在一般情况下，激光器的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光器的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光器称为可调谐激光器（见激光调谐技术）。 按输出波段范围分类 根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种。①远红外激光器，输出波长范围处于25～1000微米之间, 某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。②中红外激光器，指输出激光波长处于中红外区(～25微米)的激光器件,代表者为CO分子气体激光器(微米)、 CO分子气体激光器（5～6微米）。③近红外激光器,指输出激光波长处于近红外区（～微米）的激光器件，代表者为掺钕固体激光器（微米）、CaAs半导体二极管激光器(约 微米)和某些气体激光器等。④可见激光器，指输出激光波长处于可见光谱区（4000～7000埃或～微米）的一类激光器件，代表者为红宝石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氩离子激光器（4880埃、5145埃）、氪离子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可调谐染料激光器等。⑤近紫外激光器，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区（2000～4000埃），代表者为氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)准分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)准分子激光器(2490埃)以及某些可调谐染料激光器等⑥真空紫外激光器,其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃）代表者为（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光器（1730埃）等。⑦X射线激光器, 指输出波长处于X射线谱区（～50埃）的激光器系统，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[编辑本段]激光器的发明 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。 激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。 如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。 然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。 但科学家的努力终究有了结果。1954年，前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。 汤斯等人研制的微波激射器只产生了厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。 此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上第一台激光器。 1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。 “梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。 尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究的书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。 1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。 由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。 今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。

激光通信设备具有通信速率高、体积小、重量轻和功耗低等优势，下面是我整理了激光通信技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!

卫星激光通信技术

摘 要：激光通信设备具有通信速率高、体积小、重量轻和功耗低等优势，广泛应用在卫星与卫星之间的高速数据传输。文章介绍了卫星激光通信技术的特点及系统组成，详细分析了卫星激光通信的关键技术。最后结合国内外卫星激光通信技术的发展现状和水平，提出了我国大力发展卫星激光通信技术和应用系统的建议。

关键词：卫星激光通信;激光通信;数据传输

引言

目前卫星通信主要是微波通信，随着航天技术应用的逐步深入，微波通信中的频率资源已经显得越来越紧张，且经常性出现频率干扰问题，数据量越来越大，传统的微波通信已经不能满足未来航天通信的需求，因此急需开发新的通信手段来弥补未来通信的不足。

卫星与卫星之间的无线激光通信是一项崭新的卫星通信体制，相对于现有的卫通技术而言，具有以下技术特点和优势：(1)通信速率高，激光通信通信速率能达到10Gbps或者更高。(2)体积小、重量轻、功耗低。(3)不存在频率干扰问题，由于卫星与卫星之间采用点对点无线激光通信，因此基本上不存在干扰问题。(4)隐蔽通信和抗干扰能力更强。由于卫星激光通信具有极窄的束散角，不容易被侦察和被干扰。(5)作用距离更远，是未来深空高速数据传输的理想技术手段。深空探测从环月的几十万千米到几百万千米(甚至更远)，对通信频段提出了更高的要求。

1 国内外卫星激光通信发展现状

国外发展现状分析

20世纪60年代，国际上就开始了空间光通信技术的研究，主要进展如下。

欧空局光通信

欧洲空间局(ESA)于1986年提出了SILEX计划，经过几十年的发展先后进行了低轨道卫星与同步轨道卫星之间、GEO与地面的激光通信实验(见图1)。低轨道终端搭载在法国地球观测卫星SPOT4上，高轨道终端OPALE搭载在ARTEMIS卫星上。两颗卫星间隔30000km，相对运动速度为7km/s。2001年11月，ESA完成了通过星间链路将图象从SPOT4经由ARTEMIS传送到地面站的实验，通信速率为50Mbit/s。

德国的TerraSAR-X激光通信终端TerraSAR-X计划搭载一个激光通信终端(LTC)通信速率为(24*255Mbps)，可以用来进行星间激光通信(美国的低轨卫星)和星地激光通信，用于实时传输合成孔径雷达上的数据。2008年2月21日，TerraSAR-X卫星与NFIRE卫星成功进行了世界上首次星间相干激光链路实验，链路距离3700～4700km、链路持续时间50～650s、误码率优于10-9、通信数据率高达，该实验的成功标志着星间光通信技术的发展向前迈进了一大步。

日本空间光通信发展

日本从80年代中期就开始星间激光通信的研究工作。1995年6月，日本的ETS-VI卫星与美国的大气观测卫星实现了双向激光通信，在相距32000km的情况下通话8分钟。1995年7月，ETS-VI 卫星成功进行了星地光通信实验，传输距离37800km，传输速率。2004年，日本计划在日本实验太空舱(JEM)“Kibo”上进行光通信实验。实验在Kibo 和多个地面接收站之间进行，传输距离38，000km，下行速率。

另外更引人注目的星地激光通信是日本的LUCE计划， LUCE通信终端(见图2)负载于OICETS卫星上，LUCE装载卫星的顶端。2005年12月9日实现了LUCE 终端与Artemis卫星上的终端之间的激光通信。2006年3月，LUCE 终端与日本国家信息通信技术研究所(NICT) 光学地面站成功进行了双向激光通信试验，示意图见图2。2006年6月7日，LUCE 终端与德国宇航中心移动光学地面站OGS-OP之间实现激光通信试验，在国际上首次实现低轨卫星与光学地面站的激光通信，日本LUCE计划的成功推动了星间激光通信技术的发展。

美国空间光通信

美国于20世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划。美国近年来报道的大多是激光通信系统地面大气传输实验等方面的研究，但一直以来各研究机构也进行了大量的星间相干光通信体制的理论和实验研究。

2000年，搭载星载光通信终端LCT的卫星STRV-2成功发射，但是由于卫星的位置和姿态控制精度未在设计范围内，没能与地面站建立光通信链路。2003年，美国JPL开始建造光通信望远镜实验室(OCTL)，该实验室主要包括一个1m口径的光通信望远镜，用于研究多种激光在空间传输的性能，可实现与低轨到地球同步轨道光通信终端的光通信。

美国转型通信卫星计划将在战时和和平时期为国防部创建更宽的带宽。美国防部已经在新墨西哥州进行了概念试验，成功的实验显示出太空与地面站、太空与飞机之间进行激光通信的可能性，随着结合激光通信的转型卫星计划的出现，美国防部将会在带宽方面获得巨大提升。目前卫星上操作的带宽是几年前的10倍，在配备有宽带间隙填充仪的先进极高频卫星发射后，带宽将扩大10倍，应用激光通信后，带宽将再次扩大10倍。

国内发展现状

我国在激光通信技术的研究从“七五”开始，已经有了近30年的时间，已经在空间激光通信领域取得了一定成果，主要集中在大专院校和部分厂所。这些研究主要是针对某一特定问题而展开的，从不同的角度研究激光通信。单机或者单项技术研究居多，系统层面以及工程应用层面的研究和试验不多，与国外的差距较大。

2 卫星激光通信组成

卫星间激光通信系统主要由发射分系统、接收分系统、光学分系统、捕获跟踪瞄准(简称ATP)分系统和信息处理分系统等组成。如图3所示。

天线分系统

天线分系统主要由望远镜，滤光片，天线方位俯仰转动平台，精跟踪和超前瞄准快速反射镜等设备组成;主要完成信标光和信号光的发射，信标光和信号光的接收和滤波等任务。 天线发射部分完成对发射激光的准直和扩束，使激光光束按照一定的发散角发射出去。天线接收部分主要完成对接收光学的滤波、光束汇聚至相应的探测器上。

发射分系统

发射分系统主要由激光器、调制器、功率放大器及驱动源等设备组成，主要完成信标光产生、信号光产生、数据相干调制和信号光功率放大任务。

在卫星间激光链路中，光源的设计非常重要，它直接影响到天线增益、探测器的灵敏度、通信距离等参量，本系统选用半导体激光器作为光源，并同时使用两只激光器，分别作为信标光源和信号光源。由不同的激光器产生的信号光和信标光分别经准直系统后，具有合适的发散角，然后通过合束器合成，最后经过收发光学天线发射出去。

信标激光器用作系统的ATP探测，为便于双方搜索，减小捕获时间，信标光源应有较大的光束发散角，此外，为保证接收端有足够强的光信号，对信标光激光器的发射功率要求相对较高。

信号激光器应有较好的光束质量和较高的调制频率响应，为得到较大的输出功率，选用半导体激光器+光纤放大器体制。

接收分系统

接收分系统主要由光电探测器、滤波电路和放大电路等设备组成，主要完成微弱光信号的探测和数据信号的解调等任务。

ATP分系统

ATP分系统主要由粗跟踪单元、精跟踪单元、中心控制器、超前瞄准机构以及相关光路组成。主要完成对方信标光的捕获、跟踪和瞄准任务。由于星间距离较远，为了满足作用距离，设计的信号光波束极窄。当收到对方信号时，目标已运动到接收波束之外。双方发射天线波束的超前瞄准功能将克服该现象，确保星地链路通信正常。

粗跟踪单元负责在大视场范围内搜索、捕获目标，并对目标进行粗跟踪，将目标导入精跟踪探测器的视场。精跟踪单元负责抑制平台带来的高频扰动，在小视场内对目标进行精确跟踪，确保系统视轴指向对方视场中心。中心控制器负责协调粗跟踪单元与精跟踪单元之间的工作及测量目标角位置、角速度及角加速度等信息。

信息处理分系统

信息处理分系统主要由A/D转换器、延迟锁定环、信道译码和处理、数据组帧和信道编码、对外接口等部分组成;主要完成位同步环锁定，信道编译码等任务。

3 卫星激光通信的关键技术分析

捕获、跟踪与瞄准技术

在星间激光通信中，ATP分系统的作用是实现对光束的快速捕获并稳定跟瞄。由于两个光通信终端相隔距离较远、时刻处于移动状态，为了确保通信成功，要求ATP分系统的跟瞄精度非常高，因此决定ATP分系统的设计和实现是星间激光通信系统中的一项非常关键且难度很大的工程技术。由于星间激光通信收发设备之间存在相对运动速度，以及存在着角速度和角加速度，与远程无线光通信所要求的极窄视场的捕获、跟踪与瞄准相矛盾。另外，移动平台的姿态调整，跟踪状态下引入的平台姿态变化和平台随机振动等均对窄视场的稳定跟瞄提出了严格的要求。系统信标光的发散角在mrad量级，而信号光的发散角一般在几十μrad量级，解决办法除了提高对对方激光信号的捕获、跟踪、瞄准设备性能以外，还必须从整体系统角度综合平衡各个功能单元的技战术指标。比如：(1)在接收机中使用稳定的激光器、高透射率的光学天线，以提高发射和接收性能。(2)提高ATP自身平台稳定性能和提高平台与设备转动装置的重量比值，以改善信号跟踪与空间瞄准精度。(3)提高信标光引导精度(如程序控制引导)、增加特殊的信标光设备和其他手段的实时引导手段(如微波)，以减少目标的快速捕获时间。(4)采用提高相对位置测量精度、降低跟踪误差和复合精密跟踪装置。(5)采用粗精两级复合轴联用方式，以提高跟瞄性能。复合轴控制技术能较大地提高ATP跟瞄的性能。复合轴控制系统具体可分为以下几个部分：粗跟踪系统完成扫描、搜索、捕获目标的任务。粗跟踪传感器采用大视场的CCD，控制单元采用DSP作为核心控制器，实现控制算法和其他功能控制。绝对式编码器构成位置反馈和速度反馈，控制对象为力矩电机。精瞄准系统完成精跟踪的任务，精瞄准机构由精视场探测器(高帧频CCD)，数据控制器、线性高压功率运放及两维压电陶瓷模块组成。

高功率光源和高速调制技术

激光通信的需求之一是超高速的数据传输，因此需要高码率的调制技术。在远距离的卫星和卫星通信过程中由于距离较远所以需要高功率的激光光源。在国内外大都采用极性相反的圆偏振光同时传送和波分复用技术增加通信容量，采用激光二极管阵列技术和使用掺铒光纤放大器(EDFA)技术来提高激光器的发射功率。EDFA的工作原理是在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子形成光的放大，进而实现光功率的放大。

高灵敏度、高增益接收技术

星间激光通信系统中，光接收功率与光信号传播距离的平方成反比，因此到达远距离接收端的光能量是非常微弱的。而噪声干扰如日光、星光又相当强，对于大气层内的激光通信，还会受到大气及湍流的影响。为此，除了提高激光器的功率之外，还必须研制高灵敏度的微光探测器，对所接收的信号也要进行滤波处理。

目前探测器的研究方向主要是针对高灵敏度、高增益的雪崩光电二极管探测器(APD)。APD作为激光接收器件具有高灵敏度、可靠性能高等特点，广泛应用在无线光通信系统中，QAPD作为跟踪器件，具有精度高等特点，在空间激光交会雷达、空间光通信等领域得到了较多的应用。

由于光接收端机收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声的干扰情况下会导致接收端的信噪比(S/N)降低。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施：一是提高接收端机的灵敏度，使其达到μW-pW量级;二是对所接收的信号进行处理，如光信道上采用光窄带滤波器(干涉滤光片或原子滤光器等)以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上采用微弱信号检测与处理技术。微光探测可以分为两种：相干探测和非相干探测。目前相干探测可以达到10-11w。非相干探测也可以达到10-8w的级别。 4 结束语

空间激光通信的发展趋势将向网络化、小型化、智能化方向发展，卫星激光通信的应用范围将进一步扩大，将建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多种形式的激光通信链路。小卫星星座的迅猛发展，使得人们对小卫星星座的星间光通信更加重视，利用小卫星间激光通信实现全球个人移动通信将是未来全球个人通信的发展趋势。

空间激光通信特点鲜明，优点很多，未来军民用前景广阔。但是，作为一种新兴通信模式，空间移动光通信在技术和应用上还有不少难点，需要攻克的关键技术还很多，有必要加强基础元器件和关键元器件的研发投入;有必要加强空间光通信各种应用的系统设计和试验验证工作;有必要加强光通信设备的卫星搭载试验。另外，鉴于国外空间光通信技术的成熟，有必要积极借鉴国外的研究成果。以期在不久的将来初步形成我国激光通信的卫星。

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作者简介：杨海涛(1968-)，男，汉族，河北省保定市，研究生。

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