4. 发射光学天线选型与准直设计
发射光学天线是自由空间光通信链路的“第一道关口”，它决定了激光束以什么样的口径、什么样的波前质量离开终端。选型与准直设计做得好，后续的瞄准、跟踪和接收才有意义；做得不好，再高的发射功率也会被浪费在过大的发散角上。本节围绕折射式与反射式两类发射天线的特点、准直透镜焦距与口径的选择方法，以及束腰位置与发散角的匹配设计展开。
一、折射式与反射式发射天线的特点
折射式发射天线以透射透镜（常见为消色差双胶合透镜或非球面单透镜）为核心，光束穿过玻璃后出射。它的优点是结构紧凑、装调方便、同轴性好，透镜前后表面可镀增透膜把单面反射损耗压到0.2%以下；缺点是口径受玻璃毛坯和重量限制，通常做到100 mm以内较经济，更大口径时透镜厚度和自重迅速增加，且折射率不均匀与热透镜效应会引入波前畸变。对于1550 nm波段，普通光学玻璃吸收很小，折射式方案在中小口径终端中非常常见。
反射式发射天线以抛物面主镜为核心，常见形式有牛顿式（平面副镜折转）和卡塞格林式（凸双曲面副镜）。反射镜不产生色差，口径可以做得很大（200 mm以上并不罕见），镜坯可用微晶玻璃或碳化硅，面形稳定；缺点是存在中心遮拦，副镜支撑结构会带来衍射和散射，装调需要保证主副镜共焦，对机械稳定性要求高。工程上，口径小于约80～100 mm、对体积敏感的终端优先选折射式；口径大于150 mm、要求轻量化和无热化设计的终端优先选反射式；介于两者之间则要综合重量、成本与遮拦比权衡。
二、准直透镜焦距与口径的选择
准直设计的核心是把光源（单模光纤端面或激光二极管发光面）放在透镜前焦面上，使出射波前接近平面波。设光源模场半径为 ws，透镜焦距为 f，则透镜处的光斑半径近似为 wL ≈ λf/(πws)，出射束腰半径 w₀ ≈ wL，远场半发散角 θ ≈ λ/(πw₀)。由此可以看出一个关键权衡：焦距越长，出射光斑越大、发散角越小，但透镜口径和筒长也随之增大。
口径选择要留足余量。透镜通光口径 D 应满足 D ≥ 2·wL + 装调余量，工程上常取 D ≈ (1.3～1.5)×2wL，避免光束被镜框截断产生衍射旁瓣。以一个教学示例说明：取 λ=1550 nm、单模光纤模场半径 ws=5.2 μm，若选 f=30 mm，则 wL≈1550e-9×0.03/(π×5.2e-6)≈2.85 mm，所需口径约 2×2.85×1.4≈8 mm，选12.7 mm（0.5英寸）标准透镜即可；若选 f=100 mm，则 wL≈9.5 mm，口径需约26 mm，应选25.4 mm或更大口径的透镜。可见焦距翻三倍多，口径需求也接近翻三倍多，这就是为什么“想要更小的发散角”往往意味着更大的天线。
此外还要关注透镜的波前质量：准直透镜的面形误差（RMS）应优于 λ/10，否则出射波前畸变会直接抬高远场发散角、降低耦合效率。对折射式系统，透镜材料在1550 nm的折射率温度系数会引起焦面漂移，必要时采用无热化镜筒设计或选用低热膨胀材料。
三、束腰位置与发散角的匹配设计
准直出射后，束腰并不一定正好落在透镜表面。若光源偏离前焦面 Δz，出射束腰会移到透镜后方某处，同时引入附加发散角，近似为 Δθ ≈ Δz·θ/f。这个关系说明：焦面装调误差对发散角的影响与焦距成反比，长焦距系统对离焦更宽容，但筒长更长、机械稳定性要求更高。
匹配设计的目标是让接收端落在发射束腰附近或瑞利距离之内。瑞利距离 zR=πw₀²/λ，示例中 w₀=9.5 mm、λ=1550 nm 时 zR≈183 m，意味着在约180 m内光束半径增长不超过√2倍。若链路距离为500 m，则接收端光斑半径约为 w₀·√(1+(z/zR)²)≈9.5×√(1+2.73²)≈27.6 mm，此时接收口径需相应放大，或改用更长焦距、更大口径的发射天线把 w₀ 提到20 mm以上，使 zR 覆盖链路距离。
实际装调时，可用平行光管或剪切干涉仪观察出射波前：若波前呈会聚或发散球面，说明光源偏离焦面，沿光轴微调光源座直至干涉条纹最稀疏、最接近直条纹，即达到准直状态。对反射式系统，则需先用自准直仪保证主副镜共焦，再微调光源位置。完成准直后，用光束质量分析仪在近场和远场各测一次光斑，近场光斑应接近透镜处的 wL，远场光斑随距离线性增长，斜率即为实测发散角，与设计值偏差超过20%时应检查截断、离焦或波前畸变。
综上，发射天线选型没有唯一答案：中小口径、追求紧凑选折射式；大口径、追求轻量与无色差选反射式。焦距与口径由目标发散角和链路距离共同决定，束腰位置则通过焦面装调与瑞利距离核算来保证。把这三者的关系理清，发射光路的设计就有了可计算、可验证的依据。