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实验系统由1550nm激光器、衰减片、环行器、1m焦距透镜、光束分析仪组成,如图 6所示。透镜将环行器出射光束进行聚焦变换,其后方得到的就是光斑的远场变化。光束分析仪利用光斑最大功率密度的e-2确定光斑大小。
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在透镜后方沿光束传播轴测量不同位置处的光斑半径,利用双曲线拟合确定束腰半径w0,然后测量透镜像方焦点处光斑半径w,由此确定光束发散半角θ。实验中,透镜焦距为fl,激光器输出光纤采用两种不同芯径D,测量结果如表 1所示。
D/μm w0, x/mm w0, y/mm wx/mm wy/mm 9 0.0775 0.0760 0.0866 0.0838 15 0.0870 0.0867 0.0993 0.0965 Table 1. Spot diameter with different divergence half-angles and with the fixed far position
以x轴方向为例进行分析,芯径为9μm的光纤输出光束经环行器后发散半角θ1=w1, x/fl= 0.087mrad,由(3)式得到归一化相对峰值光强Ir, 1=0.801。同理得到芯径为15μm的光纤输出光束经环行器后参量θ2=0.099mrad,Ir, 2=0.767。可见,在同一远场位置,随着发散半角增大,相对峰值光强减小,与仿真结果相符。测得的发散半角比理论值大是因为光束远场为类高斯分布以及背景光的干扰,光束分析仪确定束宽时存在误差。
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由光路可逆原理在环行器发射和接收端同时发射激光,如图 7所示。
通过改变接收端插入塞尺的厚度h,改变光轴夹角α。在透镜像方焦点处测量发射和接收光斑质心坐标Ot, Or以及光斑重合面积Sr, t和光束接收效率η,如表 2所示。
h/mm Ot/μm Or/μm Sr, t/mm2 η 0.01 (705.5, 0) (33.2, -16.6) 0.738 0.109 0.02 (1011.7, 14.4) (47.1, 18.3) 0.196 0.023 Table 2. Coupling efficiency with different misalignments and with fixed far position
塞尺最小厚度h1=0.01mm,此时环行器发射和接收光轴夹角α1=0.74mrad; 当h2=0.02mm时,α2=1.44mrad。由表 2可知,η1=0.109,η2=0.023,可见在同一远场位置,接收效率随光轴夹角的增大而减小,与仿真结果一致。由于实验空间有限,所以将环行器出射光束进行聚焦变换,并将光束分析仪探头固定于透镜像方焦点处,用以测量环行器出射光束在同一远场位置处的光斑数据。为了验证实际工作情况,将环行器与光学天线配合装于雷达系统中进行整机测量。当测量天气晴朗,能见度大于25km时,若环行器偏轴度为0.5mrad,系统只能探测到300m;若将环行器发射端和接收端光轴调到完全重合,系统探测距离可到达1500m。