Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hàng không vũ trụ thương mại, nhu cầu về hệ thống liên lạc giữa các khoang trong tàu vũ trụ thương mại ngày càng tăng. Bài viết này đề xuất một hệ thống liên lạc bằng laser tầm gần{1}}với thiết kế tích hợp khả năng liên lạc hiệu quả và chống nhiễu-, đặc biệt nhằm mục đích liên lạc giữa các khoang trong hàng không vũ trụ thương mại. Hệ thống này phải đối mặt với những thách thức như biến dạng phần tử quang học và giảm độ ổn định của đường dẫn quang học trong các điều kiện rung động tần số-đa{5}}tần số--cao và tần số cao{8}}. Bằng cách áp dụng thiết kế đường dẫn quang học độc đáo, góc phân kỳ lớn và các thuật toán thích ứng, nó có thể ngăn chặn một cách hiệu quả tác động của rung động lên hệ thống quang học. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi độ lệch góc rung nằm trong phạm vi ±20 độ, độ dịch chuyển ngang nhỏ hơn 200mm và độ dịch chuyển dọc nhỏ hơn 10 mm thì chất lượng của điểm sáng và hiệu suất liên lạc đều đáp ứng yêu cầu thiết kế. Nghiên cứu trong bài viết này cung cấp cơ sở lý thuyết và hỗ trợ kỹ thuật cho việc thiết kế và triển khai hệ thống liên lạc bằng laser giữa các khoang trong ngành hàng không vũ trụ thương mại trong môi trường rung động kết hợp-đa tần số{16}}độ{17}}tự do{18}}cao và có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện độ tin cậy liên lạc của tàu vũ trụ trong những môi trường khắc nghiệt.
Thiết kế một hệ thống liên lạc bằng laser tầm gần-phù hợp với môi trường rung động kết hợp nhiều-bậc{2}}tự do{3}}, nhằm giải quyết vấn đề không đủ ổn định của giao diện cơ học truyền thống trong môi trường khắc nghiệt. Hệ thống này đạt được khả năng liên lạc có độ tin cậy cao trong các điều kiện phức tạp như độ rung mạnh thông qua thiết kế quang học và lựa chọn vật liệu cải tiến. Cụ thể, giao tiếp bằng laser giữa các ngăn giúp giảm bớt một cách hiệu quả tác động của rung động kết hợp nhiều{6}}bậc{7}}tự do{8}}đến chất lượng giao tiếp bằng cách tăng góc phân kỳ chùm tia. Ngoài ra, hệ thống còn giới thiệu cơ chế điều chỉnh quang học thích ứng có thể bù đắp theo thời gian thực cho những sai lệch đường dẫn quang học do sự thay đổi về độ rung và nhiệt độ, từ đó nâng cao hơn nữa độ ổn định của giao tiếp.
Về mặt thiết kế quang học, bài báo tối ưu hóa đường truyền quang của hệ thống truyền thông laser dựa trên phần mềm mô phỏng quang học Zemax. Thông qua phân tích mô phỏng, phạm vi góc phân kỳ chùm tia tối ưu được xác định là 0,5 độ đến 1,5 độ, đảm bảo khoảng cách liên lạc đồng thời giảm thiểu tác động của rung động kết hợp lên đường quang. Kết quả mô phỏng cho thấy khi góc phân kỳ chùm tia là 2,0 độ, hệ thống vẫn có thể đáp ứng yêu cầu liên lạc trong môi trường khắc nghiệt với khoảng cách liên lạc 200mm và đường kính điểm sáng được kiểm soát trong vòng 2 mm, đáp ứng yêu cầu dò quang của đầu thu. Hơn nữa, mô phỏng cũng xác minh các quy luật biến đổi của độ ổn định đường quang và công suất thu dưới các góc lệch khác nhau (0 độ đến 5 độ) và độ lệch dọc (0 mm đến 10 mm). Kết quả mô phỏng cho thấy khi độ lệch góc là 2 độ, độ lệch tâm của điểm sáng nhỏ hơn 0,5mm và công suất thu chỉ giảm khoảng 1,2dB, cho thấy hệ thống có khả năng chống lệch mạnh mẽ.
Kiểm chứng thực nghiệm cho thấy trong điều kiện khắc nghiệt, khi khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát vượt quá 200mm thì công suất thu vẫn có thể duy trì ở mức -8,88dBm. Hơn nữa, khi góc lệch đạt tới 20 độ, ngay cả khi khoảng cách liên lạc vượt quá 200mm, công suất thu ở đầu thu vẫn có thể duy trì -10,61dBm. Quan trọng hơn, khi khoảng cách liên lạc, góc lệch và độ lệch dọc đạt đến vị trí cực trị, công suất thu ở đầu thu vẫn có thể duy trì trên -10,84dBm trong vòng 5 phút và đạt được khả năng liên lạc không có lỗi, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế. Hiệu suất này có được là nhờ sự tối ưu hóa toàn diện trong thiết kế quang học, lựa chọn vật liệu và công nghệ kiểm soát nhiệt của hệ thống.
Tóm lại, việc thiết kế một-hệ thống liên lạc bằng laser tầm gần cho các môi trường rung động kết hợp nhiều{1}}bậc tự do{2}}tự do không chỉ thể hiện hiệu suất quang học vượt trội mà còn đạt được khả năng liên lạc có độ tin cậy cao trong các môi trường khắc nghiệt. Thiết kế này cung cấp giá trị tham khảo và hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho các ứng dụng liên lạc bằng laser trong ngành hàng không vũ trụ, thăm dò biển sâu và các ngành công nghiệp hạt nhân trong tương lai.