1 引言

水下无线光传输(UWOT)技术是一种利用蓝绿光波段的光源作为通信载体并通过空间传输的通信方式^[1],主要应用于水下各信息终端之间的数据传递、水下测距成像、水下无人驾驶运载器(UUV)等平台的指令交互以及电磁能量传输等领域^[2-6]。Fresnel透镜作为UWOT系统接收端的光学天线,可以通过光学优化设计使其具有较大的通光口径,从而降低通信链路的自由空间损耗,提高UWOT系统的通信距离、信噪比等性能参数^[6]。

近年来,Fresnel透镜被广泛应用于光伏聚能^[7]、可见光通信照明^[8]和光束整形^[9]等领域。金志樑等^[10]提出了非成像方法设计圆顶Fresnel透镜,模拟了400~880 nm激光入射时焦点的光强分布;李龙等^[11]采用点聚焦式Fresnel透镜作为水下激光通信系统的接收天线,计算得到Fresnel透镜的聚光效率为31.13%,光斑均匀度为4.5%;张佳斌等^[12]采用Fresnel透镜对LED光束进行整形,提出了一种用于辅助船舶入港的LED导航系统;尹田田等^[13]分析了Fresnel透镜聚焦光斑大小对聚光效率的影响。

虽然Fresnel透镜具有上述诸多优点,但其在UWOT系统中的应用仍需考虑聚光效率和聚焦光斑功率均匀度等特征参数,这些参数的优劣将直接影响水下激光通信系统的通信性能^[14-17]。为了研究大口径、短焦距Fresnel透镜作为UWOT系统中光学聚焦天线的可行性,通过改变外界约束条件来分析Fresnel透镜的聚光性能,获得Fresnel透镜的最优聚光性能,在一定边界条件范围内,提高Fresnel透镜在UWOT接收系统中的聚光效率。

2 实验装置

大口径、短焦距Fresnel透镜聚光性能实验测量原理如图1所示。该实验测试装置主要由半导体激光器(LD)光源、空间滤波器、平行光管、Fresnel透镜、激光功率计和可见光电荷耦合器件(CCD)相机组成。

图 1. 大口径、短焦距Fresnel透镜聚光性能测量原理

Fig. 1. Principle of focusing performance measurement of Fresnel lens with large aperture and short focal length

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由于蓝绿光波段是海水信道的光学窗口^[18],因此采用波长为450 nm和532 nm的LD作为测试光源。将LD光源安装在三维光学精密调整架上,通过调节三维光学精密调整架,精密控制激光束的发射方向,发射功率为0 ~50 mW且线性可调,采用2 mm通光直径的小孔光阑作为空间滤波器,对激光光束进行模式选择,获得准基模激光输出。

采用平行光管对激光光束进行准直扩束,平行光管口径为75 mm,准基模的激光束在1.5 m平行光管的作用下实现平行光束输出,激光光束入射Fresnel透镜,Fresnel透镜的有效口径为75 mm,焦距为25 mm,相对孔径为1/3,透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),无表面镀膜,其在546 nm处的折射率为1.493,可见光波段透过率为90%~92%。

经过Fresnel透镜聚焦后,激光光斑将呈现在位于Fresnel透镜焦平面处的硫酸纸光屏上,采用日本日置公司生产的HIOKI 3664型空间光功率计作为激光功率的测量装置,功率计配置9742型探头,波长响应范围为320~1100 nm,最大测量功率为50 mW,采用可见光CCD相机作为聚焦光斑采集装置,CCD相机的有效像素为752 pixel×528 pixel,水平分辨率为800 pixel×600 pixel,镜头焦距为2.54 cm,靶面尺寸为0.847 cm,像素尺寸为8.6 μm×8.3 μm。

根据实际测量情况和实验要求,搭建Fresnel透镜聚光性能实验测量系统时,各光学器件之间的光程都尽可能短一些,以降低激光束在空间传输时所带来的损耗。此外,由于是在实验室进行的短距离实验,可以不考虑大气空间所带来的激光功率的传输损耗。通过调节实验系统光路,尽可能地确保各光学器件处于同一光轴。最终建立了大口径、短焦距Fresnel透镜聚光性能实验测量系统,如图2所示,其中图2(a)、(b)分别表示采用450 nm 和532 nm LD光源作为激光光源的实验装置。

图 2. Fresnel透镜光学性能实验测量装置。(a) 450 nm LD;(b) 532 nm LD

Fig. 2. Experimental devices for optical performance measurement of Fresnel lens. (a) 450 nm LD; (b) 532 nm LD

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3 实验结果与讨论

采用450 nm和532 nm激光分别入射Fresnel透镜的平滑面和锯齿面,调节激光光源的发射功率,使用激光功率计测量得到入射Fresnel透镜之前的发射功率为10 mW,当激光输出稳定后,将激光功率计探头靶面放置在Fresnel透镜的焦平面处,然后调节一维旋转台,控制Fresnel透镜与激光主光轴之间的角度,即改变激光束的入射角,在0°~30°范围内每间隔5°测量一次激光功率计所接收到的光功率(在激光功率测试过程中,可以暂时将硫酸纸光屏撤掉,排除由硫酸纸光屏带来的激光功率插入损耗)。

利用实验测量数据计算并分别绘制了450 nm和532 nm激光以0°~30°入射Fresnel透镜两种端面时的聚光效率,其中图3(a)、(b)分别表示入射面为平滑面和锯齿面时Fresnel透镜的聚光效率。

如图3(a)所示,当532 nm激光从Fresnel透镜的平滑面垂直入射时,即激光入射角为0°,Fresnel透镜获得的最大聚光效率为60.5%,随着激光入射角的逐渐增大,Fresnel透镜的聚光效率逐渐降低,当激光入射角增加至30°时,Fresnel透镜的聚光效率降至最低,最小值为31.1%;如图3(b)所示,当532 nm激光从Fresnel透镜的锯齿面垂直入射时,即激光入射角为0°,Fresnel透镜获得的最大聚光效率为71%,当激光入射角达到30°时,Fresnel透镜的聚光效率降至最低,最小值为45.1%。

图 3. 450 nm和532 nm激光以0°~30°入射角通过Fresnel透镜不同表面时的聚光效率。(a)平滑面;(b)锯齿面

Fig. 3. Focusing efficiencies for 450 nm and 532 nm lasers passing through different Fresnel lens surfaces with incident angles of 0°-30°. (a) Smooth surface; (b) serrated face

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采用450 nm激光作为测试光源,实验测得的结果与采用532 nm激光作为测试光源所测得的聚光效率具有近似的变化趋势。当激光入射角为0°时,450 nm激光入射Fresnel透镜平滑面的聚光效率为54.3%,入射Fresnel透镜锯齿面的聚光效率为65.1%;当激光入射角为30°时,450 nm激光入射Fresnel透镜平滑面的聚光效率为24.8%,入射Fresnel透镜锯齿面的聚光效率为40.1%。上述实验结果表明,采用Fresnel透镜锯齿面入射的安装方式比采用平滑面入射时的聚光效率要高出10%~15%。

为了研究入射激光波长对Fresnel透镜聚光效率的影响,多次测量了不同时刻450 nm和532 nm激光垂直入射Fresnel透镜锯齿面时的聚光效率,实验测量数据如图4所示。

图 4. 450 nm和532 nm激光垂直入射Fresnel透镜锯齿面时的聚光效率

Fig. 4. Focusing efficiencies for 450 nm and 532 nm lasers vertically incident on Fresnel lens with serrated face

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根据光学色散的基本理论,对可见光透明的材料,其折射率会随着入射光波长的减小而增大,因此,450 nm激光经过Fresnel透镜的折射率大于532 nm激光的折射率。450 nm与532 nm激光波长间距较小,可近似认为Fresnel透镜对这两种波段激光的透过率大致相同,均为92%,则激光束正入射反射率为8%,由于采用对比测试的实验方法,Fresnel透镜对450 nm和532 nm激光的反射率是一致的,认为不会对聚光效率产生影响。

从图3中可以看出,Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率在69.8%~72.1%范围内波动,对450 nm激光的聚光效率在64.5%~65.5%范围内波动,出现这一结果的主要原因是实验中所采用Fresnel透镜的折射率为1.493@546 nm,532 nm激光的波长比450 nm激光更接近546 nm波段,说明实验中所采用的Fresnel透镜对450 nm激光的色散效应要比532 nm激光大。因此,Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要高于450 nm激光,理论分析结果与实验测量数据结果相吻合。根据上述论述可以推测,如果分别采用对应450 nm和532 nm波段优化设计的Fresnel透镜,在相同的实验条件下测量得到的聚光效率应是相同的。

对于动态UWOT系统来说,通信信号光的入射角随通信发射光端机和接收光端机相对位置的变化而变化。为了研究信号光入射角对Fresnel透镜聚光效率的影响,通过改变Fresnel透镜中心光轴与入射光信号之间的角度,利用实验系统测量了入射角在-30°~30°范围内Fresnel透镜的聚光效率。

调节激光发射功率,测量得到入射Fresnel透镜出射处的光功率为10 mW,测量和拍摄激光垂直入射Fresnel透镜时的光功率及其在硫酸纸光屏上产生的光斑图像,调节Fresnel透镜与主光轴的位置,使450 nm激光的入射角分别为±5°、±10°、±15°、±20°、±25°和±30°,测量并记录对应入射角产生的激光光束经过Fresnel透镜前后的功率。实验测量数据如图5所示。

图 5. 入射角为-30°~30°时Fresnel透镜对450 nm和532 nm激光的聚光效率

Fig. 5. Focusing efficiencies for 450 nm and 532 nm lasers passing through Fresnel lens with incident angles of -30°-30°

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从图5中可以看出,当入射角分别为-30°和30°时,Fresnel透镜对450 nm和532 nm激光的聚光效率最小,分别为40.0%和44.95%。随着入射角逐渐接近0°垂直入射,Fresnel透镜对450 nm和532 nm激光的透射率逐渐增加,当入射角达到0°,即450 nm和532 nm激光垂直入射Fresnel透镜时,Fresnel透镜对450 nm和532 nm激光的透射率达到最大值,分别为65.1%和71%。由此可见,无论采用450 nm激光还是532 nm激光作为信号光源,Fresnel透镜的聚光效率在激光入射角为0°时比入射角为±30°时分别大25.1%和26.05%;而Fresnel透镜对532 nm激光的平均聚光效率要比450 nm激光高5.4%。因此,对于采用Fresnel透镜作为接收天线的UWOT系统,相比于450 nm激光,采用532 nm激光作为信号光源,能够获得更高的聚光效率,从而提高UWOT系统的通信传输性能。

在上述实验测量的基础上,针对450 nm和532 nm激光经过Fresnel透镜产生聚焦光斑的光学畸变情况进行了研究。采用可见光CCD相机对450 nm激光在0°~30°范围内入射时产生的聚焦光斑进行了图像采集,聚焦光斑图像如图6所示。

根据聚焦光斑在CCD相机上所占的像素个数,可计算得出聚焦光斑的几何尺寸(忽略光晕所占像素个数),从图6(a)中显示的激光聚焦光斑图像可以看出,当450 nm激光以0°垂直入射Fresnel透镜时,处于Fresnel透镜焦平面处硫酸纸光屏上显示的聚焦光斑尺寸为0.5 mm×0.5 mm,光斑功率分布较为均匀,中心光斑外形成一圈圈明暗相间的光晕,聚焦光斑未发生明显畸变,中心功率较高,处于光强度饱和状态,表面形貌近似为规则的类高斯分布;如图6(b)所示,当450 nm激光的入射角增加至5°时,聚焦光斑Y轴向尺寸减小至0.4 mm,X轴向尺寸达到0.6 mm。如图6(c)所示,光斑在一定程度上发生了光学畸变,光斑功率分布不再均匀,偏离光轴X正向呈现出光斑强功率点,光轴X负向的光斑功率略低于光轴X正向;如图6(d)~(f)所示,当450 nm激光的入射角达到15°以上时,激光聚焦光斑形成明显的光学彗差现象,光斑在X轴向尺寸继续减小,Y轴向尺寸继续增加;随着激光入射角的继续增加,彗星像差现象越来越严重,激光光斑功率分布也严重偏离主光轴,最强功率点处于光轴X正向,光轴X负向的光斑功率逐渐减弱,如图6(g)所示,当450 nm激光的入射角达到30°时,聚焦光斑Y轴向尺寸减小至0.2 mm,X轴向尺寸增加至0.8 mm,光斑功率不再呈现出类高斯分布,具备彗差光斑的显著特征。

图 6. 450 nm激光以0°~30°入射角通过Fresnel透镜产生的聚焦光斑。(a) 0°;(b) 5°;(c) 10°;(d) 15°;(e) 20°;(f) 25°;(g) 30°

Fig. 6. Focusing spots for 450 nm laser passing through Fresnel lens with incident angles of 0°-30°. (a) 0°; (b) 5°; (c) 10°; (d) 15°; (e) 20°; (f) 25°; (g) 30°

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从图7(a)中可以看出,532 nm激光聚焦光斑的外貌形状呈现出规则的几何圆环,明暗相间条纹明显,中心光斑功率密度最大,第一环功率分布逐渐减弱,但比图6(a)中450 nm激光聚焦光斑第一环的光功率要高,这也间接表明了Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要高于450 nm激光;随着532 nm激光入射角的继续增加,如图7(b)~(d)所示,532 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变,说明532 nm激光聚焦光斑发生彗差畸变允许的入射角范围为0°~15°,而450 nm激光聚焦光斑发生彗差畸变允许的入射角范围为0°~5°;随着532 nm激光入射角的继续增加,如图7(e)、(f)所示,532 nm激光的彗差畸变变得较为严重,光斑功率强点分布在偏离光轴X正向。如图7(g)所示,随着入射角的增大,聚焦光斑Y轴向尺寸减小至0.3 mm,X轴向尺寸增加至0.7 mm。上述实验结果表明,532 nm激光聚焦光斑产生彗星像差的约束条件要比450 nm激光相对宽松,说明采用532 nm激光作为信号光源可以获得较大的接收视场角。

对于单透镜来说,入射光束的波长越长,则其焦距越长。实验过程中虽然通过平移台调节了Fresnel透镜与硫酸纸光屏之间的距离,以尽可能满足硫酸纸光屏位于不同入射光波长所对应的Fresnel透镜的焦平面,但是由于平移台的平移精度较低,必然存在调节误差,无法保证在实验测量过程中满足硫酸纸光屏处于对应波长的焦平面处,导致出现如图6和图7中450 nm激光的聚焦光斑略大于532 nm激光的情况,说明图6和图7中的聚焦光斑是在硫酸纸光屏所处的位置更接近于532 nm激光所对应的Fresnel透镜焦平面时采集的。

图 7. 532 nm激光以0°~30°入射角通过Fresnel透镜产生的聚焦光斑。(a) 0°;(b) 5°;(c) 10°;(d) 15°;(e) 20°;(f) 25°;(g) 30°

Fig. 7. Focusing spots for 532 nm laser passing through Fresnel lens with incident angles of 0°-30°. (a) 0°; (b) 5°; (c) 10°; (d) 15°; (e) 20°; (f) 25°; (g) 30°

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4 结论

基于Fresnel透镜聚光性能的基本理论,采用532 nm和450 nm激光作为测试光源,搭建了用于测量UWOT系统中Fresnel透镜接收天线聚光性能的实验装置。实验测量了不同约束条件下Fresnel透镜的聚光性能,通过分析实验数据,重点研究了Fresnel透镜表面、入射激光波长和入射角等因素对聚光性能的影响。实验结果表明,入射Fresnel透镜锯齿面产生的聚光效率要比入射Fresnel透镜平滑面高10%~15%;Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要比450 nm激光高5%;采用532 nm激光垂直入射Fresnel透镜条纹面,可以获得最大聚光效率为71%,当入射角达到±30°时,聚光效率降低到此时约束条件下的最小值45%;在不发生光学彗差畸变的情况下,采用532 nm激光作为信号光源可以获得的接收视场角要比450 nm激光大10°。此外,本次实验是在空气环境中完成的,不能完全代表实际水下激光传输的结果,但是上述实验结果也能为后续开展水下Fresnel透镜聚光性能的实验研究提供了一定的基础和参考价值。