接收光学系统的仿真分析优化

在完成接收光学系统的设计后，我们用光学设计软件Zemax 对接收光学系统进行仿真。

1. 非球面透镜参数和接收视场仿真

非球面透镜采用K9 玻璃材料，在波长905nm 时折射率n=1.5062。

通过Zemax 模拟，可以得到双凸非球面透镜的参数：

第一面非球面曲率R1=118.79mm；第二面非球面曲率R2=-1057.8mm；中心厚度Tc=16.0mm；有效孔径D=92.0mm；焦距EFL=211.0mm；K=-0.2586。

第一面非球面透镜的非球面方程(潘君骅，2004)：

式中，R=118.79mm；K=-0.2586；α1=1.11629×10-7；α2=-1.61538×10-10；α3=-7.22404×10-14。

零视场角、半视场角和全视场角下非球面透镜接收Zemax 软件仿真图如图4-6 所示。

2. 非球面透镜接收弥散斑仿真

图4-6　不同视场下非球面透镜接收仿真示意图(www.xing528.com)

由于我们选用的光纤阵列单根光纤芯径为400μm，在全接收视场下，接收的弥散斑应该小于400μm。为了验证弥散斑是否满足要求，用Zemax 软件对非球面透镜的接收弥散斑进行仿真，弥散斑尺寸仿真结果如图4-7 所示，最大接收视场为0.68°时弥散斑的RMS 值最大，为41.17μm，即弥散斑直径为82.34μm，小于光纤芯径400μm。因此，非球面透镜接收弥散斑满足设计要求。

根据上面的设计，光纤阵列探测面尺寸为5mm，接收视场角为23.7mrad，发散角比接收视场角稍大一些。我们用Zemax 软件对接收视场的弥散斑偏移进行仿真，结果如图4-8 所示。当最大接收视场为0.68°时，接收弥散斑偏移为2.48mm，与接收光纤阵列探测面尺寸的一半相接近，说明接收光学系统满足设计要求。

图4-7　非球面透镜不同视场的接收弥散斑尺寸仿真图

图4-8　非球面透镜不同视场的接收弥散斑偏移仿真图

3. 接收光学系统整体仿真

在完成上述仿真后，我们用Zemax 软件对接收光学系统进行了整体仿真。其中发射光学系统以25mrad×25mrad 的发散角发射激光，200m 远处目标在整个视场下的光束回波仿真效果如图4-9 所示。从图中可以看到，当光束经过目标反射后，只有符合光学系统接收视场要求的光束才能进入接收系统，并进入对应的光纤阵列，最后耦合到相应的APD。从仿真结果可以得到，单根光纤接收视场为1.9mrad，对应的单个光斑约为0.38m，光束之间有一定的间距；整个接收视场为23.7mrad×23.7mrad，整个光斑约为4.74m×4.74m，说明光学系统满足设计要求。

图4-9　接收光学系统对200m 远处的光束回波仿真图

光纤阵列设计后，交由上海诚景通信技术有限公司完成生产制作。用于光纤阵列耦合的APDs 探测器，我们选用美国Pacific Silicon Sensor 公司生产的AD500-8 型Si-APD 探测器，其光敏面为500μm(Pacific Silicon Sensor Inc.，2009)。由于探测器的光敏面为500μm，而光纤芯径为400μm。因此，光纤到探测器的耦合效率可以到达90%。关于APD 探测器的选型将在第5 章进行介绍。