本發(fā)明屬于信息通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光陰極的高重頻x射線源與激光器的聯(lián)合通信技術(shù)，該通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)>100mhz的傳輸帶寬，主要應(yīng)用于激光通信方式或x射線通信方式各自無法獨立實現(xiàn)的通信鏈路中，如電磁屏蔽的密閉空間、真空環(huán)境等傳統(tǒng)通信方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境中，也可用于空間通信鏈路與星地通信鏈路中。

背景技術(shù)：

通信技術(shù)是實現(xiàn)信息傳輸與交互的重要手段，應(yīng)用中主要分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。目前有線通信主要以光纖為傳輸介質(zhì)的光通信技術(shù)最為常見，無線通信主要以微波通信技術(shù)和激光通信技術(shù)為主，技術(shù)成熟度都比較高。

微波通信技術(shù)是指利用頻率為0.3-300ghz范圍內(nèi)的電磁波進行通信，主要有移動通信、中繼通信、空間光通信等。空間光通信是指利用激光作為信息的載體，通過光纖或者在自由空間進行遠距離通信，其中空間光通信主要用在衛(wèi)星與衛(wèi)星或者衛(wèi)星與地面站之間通信。

與微波通信技術(shù)相比，激光通信技術(shù)的主要優(yōu)勢在于：頻帶寬，傳輸速率高，若采取點到點的組網(wǎng)方式，傳輸速率可達155mbit/s-10gbit/s(地面光纖通信帶寬可達1gbit/s)，信息容量大，使傳輸數(shù)據(jù)更加豐富；發(fā)射光束窄，方向性好，能量密度大；抗電磁干擾強，保密性好，誤碼率低；天線尺寸小，功耗低，集成度高等諸多優(yōu)點。

然而激光通信技術(shù)仍然存在很多難以克服的缺陷：星地激光通信鏈路中激光傳輸將通過大氣層，湍流效應(yīng)會引起激光光場振幅和相位的波動，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大；在空間通信鏈路當中，空間背景光對系統(tǒng)影響嚴重，會導(dǎo)致空間光通信接收端噪聲增大，誤碼率增大；遠距離傳輸衰減嚴重，盡管光通信具有發(fā)射光束窄、能量密度高等特點，但在遠距離傳輸條件下，由于光束發(fā)散而接收角有限，導(dǎo)致能量損失嚴重。因為衛(wèi)星通信鏈路與地面通信鏈路最主要的區(qū)別在于衛(wèi)星鏈路的傳輸距離很長，輻射信號的強度與信號傳輸距離的平方成反比，所以衛(wèi)星信號在空間長距離傳輸之后強度衰減十分嚴重，另外，激光通信需要復(fù)雜的光學系統(tǒng)，受空間惡劣環(huán)境影響其壽命有限及抗干擾能力較差。因此，發(fā)展傳輸距離更長、功耗更小、抗干擾能力更強、性能更優(yōu)的新型空間通信技術(shù)迫在眉睫。

x射線由于波長短，穿透能力強，美國henke博士研究發(fā)現(xiàn)當x射線光子能量大于10kev時，在太空中幾乎是無衰減的傳輸，因此可望在較小的體積、重量、功耗下實現(xiàn)遠距離傳輸。美國航空航天局于2007年首先提出了利用x射線實現(xiàn)空間衛(wèi)星飛行器點對點的通信概念(keithgendreau,firstx-raycommunicationsystemdemonstrated[j].goddardtectrends,2007,3(4):3-4)，由于x射線光子頻率很高(>10¹⁷hz)，因此x射線通信的帶寬比微波通信更大，良好的穿透能力使其通信系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)通信方式更高的保密性和抗干擾能力。美國航天局已經(jīng)將x射線通信衛(wèi)星發(fā)射列入2018年發(fā)射計劃，國內(nèi)主要以中國科學院西安光學精密機械研究所趙寶升等人為代表，提出了一種基于柵極控制脈沖x射線源的空間x射線通信系統(tǒng)，僅在實驗上證明了10khz的調(diào)制頻率。然而，x射線通信雖然具有穿透能力強、保密性好等優(yōu)點，但在地面等非真空環(huán)境中衰減非常厲害，因此只能應(yīng)用在某些特殊的區(qū)域。另外，如何克服x射線源的更高頻率調(diào)制是現(xiàn)有技術(shù)無法解決的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上背景技術(shù)，本發(fā)明提供了一種激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)及方法，利用x射線的特點彌補激光通信保密性差、穿透能力不足等問題，進一步拓展了激光通信和x射線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)＞100mhz的傳輸帶寬，主要用于密閉電磁環(huán)境、真空環(huán)境等傳統(tǒng)通信方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境中，也可用于空間通信鏈路與星地通信鏈路中。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括沿信號傳輸方向依次設(shè)置的數(shù)字信號發(fā)射源、信號調(diào)制器、第一半導(dǎo)體激光器、轉(zhuǎn)換裝置、光電探測器和信號解調(diào)器；

數(shù)字信號發(fā)射源用于將輸入通信系統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

信號調(diào)制器用于將所述數(shù)字信號加載至第一半導(dǎo)體激光器上；

第一半導(dǎo)體激光器發(fā)射攜帶所述數(shù)字信號的激光信號至所述轉(zhuǎn)換裝置；

轉(zhuǎn)換裝置包括交替設(shè)置的n個用于將激光信號轉(zhuǎn)換為x射線的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊和n個用于將x射線轉(zhuǎn)換為激光信號的x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊；首個激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊的輸入端為所述轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，最后一個x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊的輸出端為所述轉(zhuǎn)換裝置的輸出端；n為大于等于1的自然數(shù)；

光電探測器用于識別轉(zhuǎn)換裝置輸出的激光信號并轉(zhuǎn)換為電信號；

信號解調(diào)器用于解調(diào)光電探測器輸出的電信號，解調(diào)后轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

基于上述基本技術(shù)方案，本發(fā)明還作出以下優(yōu)化限定：

上述激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊包括真空外殼、一個激光入射窗、光陰極、磁聚焦透鏡、陽極靶和一個x射線出射窗；激光入射窗和x射線出射窗相對設(shè)置在真空外殼的兩個端面上，磁聚焦透鏡套裝在真空外殼上位于光陰極和陽極靶之間，光陰極和陽極靶安裝在真空外殼內(nèi)；光陰極和陽極靶均采用透射式；光陰極通過鍍電極加載50-100kv的負高壓；陽極靶的一端接地；激光信號穿過激光入射窗后打在光陰極上，光陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子經(jīng)過磁聚焦透鏡進行聚焦后打在陽極靶上產(chǎn)生x射線，x射線通過x射線出射窗出射，出射的x射線攜帶有所述數(shù)字信號。

上述激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊還包括設(shè)置在真空外殼內(nèi)，位于光陰極和陽極靶之間的電子倍增器，電子倍增器上加有直流負高壓；所述光電子先通過電子倍增器進行電子倍增后再進行聚焦。

上述激光入射窗上鍍有增透膜；x射線出射窗采用鈹窗或鈦窗；磁聚焦透鏡采用電磁線圈或磁鐵；電子倍增器采用微通道板；陽極靶采用高原子序數(shù)材料；光陰極材料主要依據(jù)第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光波長選取，且光陰極材料應(yīng)具有較高的量子效率，對真空度要求較低。

上述激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊包括真空外殼、激光入射窗、激光出射窗、兩個反射鏡、光陰極、磁聚焦透鏡、陽極靶和一個x射線出射窗；激光入射窗和激光出射窗相對設(shè)置在真空外殼的側(cè)面；兩個反射鏡設(shè)置在激光入射窗和激光出射窗之間，兩個反射鏡之間的空隙應(yīng)保證反射電子不受阻擋；x射線出射窗設(shè)置在真空外殼的側(cè)面；磁聚焦透鏡套裝在真空外殼上位于反射鏡和陽極靶之間，光陰極和陽極靶安裝在真空外殼內(nèi)；光陰極和陽極靶均采用反射式；光陰極通過鍍電極加載＞100kv的負高壓；陽極靶的一端接地，采用液體循環(huán)冷卻方式冷卻；激光信號穿過激光入射窗后通過其中一個反射鏡反射打在光陰極上，然后通過光陰極反射至另一個反射鏡后從激光出射窗出射；光陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子經(jīng)過磁聚焦透鏡進行聚焦后打在陽極靶上產(chǎn)生硬x射線，x射線通過x射線出射窗出射，出射的x射線攜帶有所述數(shù)字信號。

上述激光入射窗上鍍有增透膜；x射線出射窗采用鈹窗或鈦窗；磁聚焦透鏡采用電磁線圈或磁鐵；陽極靶采用高原子序數(shù)材料；光陰極材料主要依據(jù)第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光波長選取，且光陰極材料應(yīng)具有較高的量子效率，對真空度要求較低。

上述x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊包括電磁屏蔽腔室、設(shè)置在電磁屏蔽腔室上的x射線入射窗、激光出射窗和設(shè)置在電磁屏蔽腔室的第二半導(dǎo)體激光器以及為第二半導(dǎo)體激光器供電的直流電流源；x射線穿過x射線入射窗加載到第二半導(dǎo)體激光器中，通過激光腔內(nèi)調(diào)制轉(zhuǎn)換為激光信號后從激光出射窗出射，出射的激光信號攜帶有所述數(shù)字信號。

上述第二半導(dǎo)體激光器的激光波長為通訊波長時，所述光電探測器采用超快激光探測器或者電子倍增管。

上述聯(lián)袂通信系統(tǒng)還包括設(shè)置在x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊和激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊之間的中繼激光放大器，中繼激光放大器用于對激光信號進行放大和補償。

本發(fā)明同時提供了一種激光-x射線聯(lián)袂通信方法，包括以下步驟：

1)搭建上述激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)，根據(jù)實際通信環(huán)境配置轉(zhuǎn)換裝置中激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊和x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊：

在無法利用激光實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?、電磁屏蔽的密閉環(huán)境、真空環(huán)境或者短距離非真空環(huán)境中設(shè)置激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊將激光信號轉(zhuǎn)換為x射線進行信號傳輸；

在無法利用x射線實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?、長距離非電磁屏蔽的密閉環(huán)境或者長距離非真空環(huán)境中，設(shè)置x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊將x射線轉(zhuǎn)換為激光信號進行信號傳輸；

2)將待傳輸?shù)哪M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

3)將所述數(shù)字信號加載至第一半導(dǎo)體激光器上，通過第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光信號進行傳輸；

4)第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光信號傳輸至轉(zhuǎn)換裝置進行激光-x射線轉(zhuǎn)換/相互轉(zhuǎn)換，最終由轉(zhuǎn)換裝置中最后一個x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊輸出攜帶所述數(shù)字信號的激光信號；

5)識別和解調(diào)步驟4)最終輸出的激光信號，解調(diào)后將激光信號中攜帶的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

進一步地，上述步驟4)中激光-x射線轉(zhuǎn)換/相互轉(zhuǎn)換的過程中，若激光信號變?nèi)酰衫弥欣^激光放大器對激光信號進行放大補償。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1、本發(fā)明結(jié)合x射線通信和激光通信方式的各自優(yōu)勢，由x射線通信彌補激光通信保密性差、穿透能力不足等問題，進一步拓展了激光通信和x射線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，且利用激光和x射線各自的特點可以根據(jù)通信鏈路環(huán)境靈活組網(wǎng)，較現(xiàn)有x射線通信和激光通信應(yīng)用范圍更廣，且很容易實施。

2、本發(fā)明采用激光→x射線→激光相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)思路，保密性好，誤碼率低。在信息化不斷加強的時代，信息安全越來越重要，尤其在軍事領(lǐng)域更是如此。我們所提出的x射線發(fā)射裝置可以封閉在電磁密閉空間內(nèi)實施，激光和電磁信號都無法穿透，而x射線可以穿入穿出金屬層(如鈹、鈦窗)，保證信號收發(fā)端均不受干擾，安全性更好。

3、通信速率高

相比現(xiàn)有x射線源，本發(fā)明將激光作為核心載體，使得傳輸速率和調(diào)制速率都達到最高，相比現(xiàn)有柵極控制等技術(shù)思路在通信速率上具有明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明的x射線源是基于光陰極直流加速腔的x射線源(即激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊)具有比現(xiàn)有其他x射線源高得多的重頻，激光的調(diào)制速率也更高，容易實現(xiàn)高的通信帶寬。目前技術(shù)下我們已經(jīng)研制實現(xiàn)了80mhz以上重頻(可調(diào))，光子能量大于100kev的x射線源。另外，由于激光的重頻通?？烧{(diào)，因此相應(yīng)的通信帶寬也可調(diào)，對于對帶寬要求比較低的如聲音信號，可以轉(zhuǎn)換到低帶寬模式下運行，其明顯的好處就是，低重頻帶來更強的x射線單脈沖強度，進而可以在相同的探測系統(tǒng)下具備更遠距離的傳輸能力。

4、可級聯(lián)

當采用合適的激光波長時，可以實現(xiàn)級聯(lián)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，如在空間站內(nèi)部采用激光傳輸，而空間站以外采用x射線傳輸，可以根據(jù)具體要求任意轉(zhuǎn)換，信號變?nèi)鯐r，可以利用現(xiàn)有激光通信的中繼激光放大器進行放大補償。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊方案一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊方案二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的激光-x射線聯(lián)袂通訊系統(tǒng)應(yīng)用布局示意圖；

附圖標記說明：

1-接收端，2-數(shù)字信號發(fā)射源，3-信號調(diào)制器，4-第一半導(dǎo)體激光器，5-激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊，6-光電探測器，7-信號解調(diào)器，8-信號輸出端；9-x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊；

501-激光入射窗，502-真空外殼，503-陽極靶，504-陶瓷絕緣柱及電極支架，505-x射線出射窗，506-電子倍增器，507-水(乙二醇)冷機，508-反射鏡，509-磁聚焦透鏡，510-光陰極；511-激光出射窗；

901-電磁屏蔽腔室，902-x射線入射窗，903-第二半導(dǎo)體激光器，904-激光出射窗，905-直流電流源。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步描述：

參見圖1，本發(fā)明所提供的激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)包括沿信號傳輸方向依次設(shè)置的數(shù)字信號發(fā)射源2、信號調(diào)制器3、第一半導(dǎo)體激光器4、轉(zhuǎn)換裝置、光電探測器6和信號解調(diào)器7。

轉(zhuǎn)換裝置包括交替設(shè)置的n個用于將激光信號轉(zhuǎn)換為x射線的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5和n個用于將x射線轉(zhuǎn)換為激光信號的x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9；首個激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5的輸入端為所述轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，最后一個x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9的輸出端為所述轉(zhuǎn)換裝置的輸出端；n為大于等于1的自然數(shù)；激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5和x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9的數(shù)量n和位置可根據(jù)實際通信環(huán)境靈活配置，形成級聯(lián)通信模式：

當無法利用激光實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌泛?或需要在電磁屏蔽的密閉環(huán)境、真空環(huán)境或者短距離真空環(huán)境中通信時，可設(shè)置激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊將激光信號轉(zhuǎn)換為x射線進行信號傳輸；

當無法利用x射線實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌泛?或需要在長距離非電磁屏蔽的密閉環(huán)境或者長距離非真空環(huán)境中通信時，可設(shè)置x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊將x射線轉(zhuǎn)換為激光信號進行信號傳輸。

激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5有兩種結(jié)構(gòu)形式，具體為：

第一種：

參見圖2，激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5包括真空外殼502、激光入射窗501、光陰極510、磁聚焦透鏡509、陽極靶503和x射線出射窗505；激光入射窗501和x射線出射窗505相對設(shè)置在真空外殼502的兩個端面上，磁聚焦透鏡509套裝在真空外殼502上位于光陰極510和陽極靶503之間，光陰極510和陽極靶503安裝在真空外殼502內(nèi)；真空外殼502內(nèi)還置有陶瓷絕緣柱及電極支架504，分別用于加速電極的高壓絕緣處理和承載光陰極510；光陰極510和陽極靶503均采用透射式；光陰極510通過鍍電極加載50-100kv的負高壓形成直流加速段；陽極靶503的一端接地，可采用自然冷卻方式冷卻。激光信號穿過激光入射窗501后打在光陰極510上，光陰極510產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子經(jīng)過磁聚焦透鏡509進行聚焦后打在陽極靶503上產(chǎn)生硬x射線，x射線通過x射線出射窗505出射，此時出射的x射線攜帶有所述數(shù)字信號。這種結(jié)構(gòu)形式的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊主要用于低能x射線需求的情形，電子峰值能量在50-100kev，x射線能量處在10-30kev范圍內(nèi)。

當激光能量較弱時，可在位于光陰極510和陽極靶503之間的電子倍增器506(例如電子微通道板)，光電子先通過電子倍增器506進行電子倍增后再進行聚焦；由于電子倍增器506上加有直流負高壓，因此電子倍增器506出射后的電子數(shù)目和能量都會較大幅度的提高，倍增后的電子經(jīng)過光陰極510負高壓提供的直流加速段進行最后加速達到50kev以上能量。

第二種：

參見圖3，激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5包括真空外殼502、一個激光入射窗501、一個激光出射窗511、兩個反射鏡508、光陰極510、磁聚焦透鏡509、陽極靶503和一個x射線出射窗505；

激光入射窗501和激光出射窗511相對設(shè)置在真空外殼502的側(cè)面；兩個反射鏡508設(shè)置在激光入射窗501之間，兩個反射鏡508之間的空隙應(yīng)保證反射電子不受阻擋；x射線出射窗505設(shè)置在真空外殼502的側(cè)面；磁聚焦透鏡509套裝在真空外殼502上位于反射鏡508和陽極靶503之間，光陰極510和陽極靶503安裝在真空外殼502內(nèi)；在真空外殼502內(nèi)還設(shè)置有陶瓷絕緣柱及電極支架504，分別用于加速電極的高壓絕緣處理和承載光陰極510；光陰極510和陽極靶503均采用反射式；光陰極510通過鍍電極加載＞100kv的負高壓；陽極靶503的一端接地，需采用水(乙二醇)冷寂507進行液體循環(huán)冷卻；激光信號穿過激光入射窗501后通過其中一個反射鏡反射打在光陰極510上，然后通過光陰極510反射至另一個反射鏡后從激光出射窗511出射；光陰極510產(chǎn)生光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子經(jīng)過磁聚焦透鏡509進行聚焦后打在陽極靶503上產(chǎn)生硬x射線，x射線通過x射線出射窗505出射，出射的x射線攜帶有所述數(shù)字信號。這種結(jié)構(gòu)形式的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊主要用于更高能的x射線(>30kev)且激光能量較高時的情形。

這里需要說明的是，激光出射窗511的位置可以根據(jù)需要設(shè)置，只要滿足入射至激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊中的激光最終能夠出射即可。本發(fā)明將激光出射窗511設(shè)置在激光入射窗501對面，這樣可以降低兩個反射鏡508的安裝要求，而且只需一個支架就能固定兩個反射鏡508。

上述兩種結(jié)構(gòu)的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊中：激光入射窗501根據(jù)入射激光波長進行選材并在激光入射面上鍍增透膜；x射線出射窗505均采用金屬材料，起到真空密封和電磁屏蔽的作用，并且材料的類型和厚度設(shè)計需要考慮其對x射線強度的衰減問題，設(shè)計中應(yīng)盡可能降低對x射線的衰減，優(yōu)選材料為鈹(be)和鈦(ti)；磁聚焦透鏡509均可采用電磁線圈或磁鐵用于電子束聚焦；陽極靶503均采用高原子序數(shù)材料，例如鎢或鉭；光陰極510材料選取標準主要依據(jù)第一半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光波長，且光陰極510材料應(yīng)具有較高的量子效率，對真空度要求較低，主要有金屬和半導(dǎo)體，例如mg、cu、cste和gaas等；出射的x射線峰值能量由直流加速電壓即光陰極510上加載的負高壓決定，且連續(xù)可調(diào)。

x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9包括電磁屏蔽腔室901、設(shè)置在電磁屏蔽腔室901上的x射線入射窗902、激光出射窗904和設(shè)置在電磁屏蔽腔室901內(nèi)的第二半導(dǎo)體激光器903以及為第二半導(dǎo)體激光器903供電的直流電流源905，第二半導(dǎo)體激光器903工作在閾值附近(即將第二半導(dǎo)體激光器903的的電流設(shè)置在閾值電流附近)；x射線穿過x射線入射窗加載到第二半導(dǎo)體激光器903中，通過激光腔內(nèi)調(diào)制轉(zhuǎn)換為激光信號后從激光出射窗904出射，出射的激光信號攜帶有所述數(shù)字信號。

第二半導(dǎo)體激光器903的激光波長為通訊波長(1550nm)時，光電探測器6可采用超快激光探測器(或者電子倍增器)實現(xiàn)激光→x射線的轉(zhuǎn)換，在超快激光探測器信號接收端需要加入高通濾波器，保證探測器對直流光和低頻噪聲沒有響應(yīng)。

超快激光探測器主要包含光電轉(zhuǎn)換器件和信號放大器件，其目的是為了將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這與目前激光通信一樣，都需要利用解調(diào)器還原為模擬信號，所以在信號的最末端必須進行光電轉(zhuǎn)換。超快激光探測器的選擇方面需要考慮“x射線-激光轉(zhuǎn)換模塊9”產(chǎn)生的信號的幅度，當距離較遠時光信號較小，因此需要考慮放大。選擇的時候首先是對待測激光的波長能響應(yīng)，其次是光電轉(zhuǎn)換后信號不能失真，所以應(yīng)當選擇較高帶寬的探測器。

第一半導(dǎo)體激光器4可采用的532nm的nd:yag固體激光器或短波長的半導(dǎo)體激光器，優(yōu)先采用功耗更低、體積更小的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的激光波長須與轉(zhuǎn)換裝置中激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊的光陰極510材料的選擇相適應(yīng)，即對于選定的光陰極510材料能提供最優(yōu)的量子效率并兼顧其使用壽命。

信號調(diào)制器3根據(jù)所選第一半導(dǎo)體激光器4類型不同分為兩種，對于半導(dǎo)體激光器，優(yōu)先采用電流腔內(nèi)調(diào)制的方式；對于固體激光器則需要采用電光調(diào)制器實現(xiàn)激光腔外調(diào)制，另外激光調(diào)制前通常需要進行光束整形，旨在優(yōu)化光陰極510出射的電子束品質(zhì)。

本發(fā)明的工作過程：

聲音、圖像等模擬信號從通信系統(tǒng)的接收端1輸入后首先通過數(shù)字信號發(fā)射源2進行數(shù)字化為數(shù)字信號，然后將該數(shù)字信號通過信號調(diào)制器3加載到第一半導(dǎo)體激光器4上；當需要利用x射線通信時，將第一半導(dǎo)體激光器4發(fā)射的激光信號傳輸至轉(zhuǎn)換模塊中的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5，由激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5將其轉(zhuǎn)換為x射線；當需要將x射線通信模式轉(zhuǎn)換為激光通信模式時，將激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5輸出的x射線入射到x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9中，轉(zhuǎn)換為激光信號；轉(zhuǎn)換裝置最終輸出的激光信號通過光電探測器6探測獲取并轉(zhuǎn)換為電信號后輸出，再利用信號解調(diào)器7實現(xiàn)電信號的解調(diào)后轉(zhuǎn)換為聲音、圖像等數(shù)據(jù)，完成一次信號的通信過程。

考慮到在激光-x射線通信模式相互轉(zhuǎn)換的過程中，激光信號有時候會變?nèi)?，本發(fā)明在x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9和激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5之間設(shè)置用于對激光信號進行放大和補償?shù)闹欣^激光放大器。

本發(fā)明同時提供了一種激光-x射線聯(lián)袂通信方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)實際通信環(huán)境配置轉(zhuǎn)換裝置中激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊5和x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9，搭建激光-x射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)：

在無法利用激光實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?、電磁屏蔽的密閉環(huán)境、真空環(huán)境或者短距離真空環(huán)境中設(shè)置激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊將激光信號轉(zhuǎn)換為x射線進行信號傳輸；

在無法利用x射線實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?、長距離非電磁屏蔽的密閉環(huán)境或者長距離非真空環(huán)境中，設(shè)置x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9將x射線轉(zhuǎn)換為激光信號進行信號傳輸；

2)將待傳輸?shù)哪M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

3)將所述數(shù)字信號加載至第一半導(dǎo)體激光器4上，通過第一半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光信號進行傳輸；

4)第一半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光信號傳輸至轉(zhuǎn)換裝置進行激光-x射線轉(zhuǎn)換/相互轉(zhuǎn)換，最終由轉(zhuǎn)換裝置中最后一個x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9輸出攜帶所述數(shù)字信號的激光信號；在激光-x射線轉(zhuǎn)換/相互轉(zhuǎn)換的過程中，若激光信號變?nèi)?，可利用中繼激光放大器對激光信號進行放大補償；

5)識別和解調(diào)步驟4)最終輸出的激光信號，解調(diào)后將激光信號中攜帶的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

本發(fā)明中應(yīng)用于實現(xiàn)局部小空間內(nèi)x射線通信時，由于x射線需要傳輸?shù)木嚯x一般較短，因此通常進行一次激光→x射線轉(zhuǎn)換就可實現(xiàn)聯(lián)袂通信。這也是本發(fā)明最大的應(yīng)用需求，即對現(xiàn)有激光通信系統(tǒng)應(yīng)用難點進行有力補充。

本發(fā)明結(jié)合空間激光通信技術(shù)應(yīng)用于空間通信時，在通信鏈路中需要考慮遠距離傳輸?shù)膯栴}。利用x射線實現(xiàn)遠距離傳輸需要克服三個關(guān)鍵技術(shù)，首先是單脈沖x射線的強度越強越好，其次是發(fā)散角越小越好，另外就是要求x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9的轉(zhuǎn)換效率足夠高，通信距離由激光→x射線模塊轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換模塊級聯(lián)、x射線→激光模塊轉(zhuǎn)換效率決定。

首先考慮x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9，即x射線發(fā)射源。目前西安光機所趙寶升團隊報道的10khz重頻下，其最高出射電子數(shù)為671個，按照韌致輻射30％的轉(zhuǎn)換效率，所得到的x光子數(shù)只有223個，如果再通過聚焦準直等損耗，最終到達探測器的光子數(shù)非常有限，因此其柵極控制方式基于熱陰極發(fā)射電子的思路難以實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)男枰６诒景l(fā)明的技術(shù)思路，采用cste和gaas等高量子效率的光陰極，容易實現(xiàn)ma量級的流強；以cste光陰極為例，平均電子流強按照1ma，10khz下單脈沖電子電荷量可達到1nc，在沒有加電子倍增器進行電子倍增的情況下，電子數(shù)目可到6.25×10⁹個/脈沖，按照30％的轉(zhuǎn)換效率，單脈沖x光子數(shù)可達到1.87×10⁹個，遠遠高于現(xiàn)有水平。如果按照我們的更高的帶寬估計，重頻增大到1mhz，單脈沖電荷量可達到10pc，電子數(shù)目相應(yīng)降低兩個量級，所得x射線光子數(shù)約為10⁷個/脈沖，可見我們的x射線單脈沖光子數(shù)可以做到更高，對x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9的轉(zhuǎn)換效率要求也相應(yīng)降低。另外，當采用量子效率較低的光陰極時(如cu光陰極510)，則本發(fā)明中的x射線通信系統(tǒng)可以用于地面光纖通信無法實現(xiàn)的短距離通信鏈路需求，光陰極的設(shè)計和材料選擇具體根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行系統(tǒng)詳細的優(yōu)化設(shè)計。

高重頻帶來高通信帶寬也是本發(fā)明的一大優(yōu)勢。對于高傳輸帶寬下的情形，防止信號脈沖的畸變非常重要，出射的x射線信號與激光入射脈沖信號相比，會出現(xiàn)一定的脈沖展寬，主要有三個因素：光電子發(fā)射與倍增過程、電子打靶產(chǎn)生x射線的韌致輻射過程和電子直流加速過程。由于前兩個過程的時間結(jié)構(gòu)都在亞ps量級，因此對于10mhz及以下的調(diào)制速率完全可以忽略，而光電子加速過程中引起的脈沖信號展寬為

其中：e為陽極靶503與光陰極510之間的電場強度；光電子能量彌散為δεe，主要由激光時空分布以及光陰極510材料厚度決定；me為電子有效質(zhì)量?？梢娫诒ＷC高壓絕緣的前提下，相同加速距離下電壓越高帶來的彌散量越小。本發(fā)明加速電壓通常設(shè)置在50kv—100kv,由于光電子是按照余弦分布出射，所以電子時間彌散控制主要通過控制光電子的空間分布來實現(xiàn)，具體可以通過數(shù)值模擬設(shè)計優(yōu)化光陰極510靶，容易獲得小于100fs量級的脈沖展寬量，總的脈沖展寬量可以控制在ps以下，這對于高速通信系統(tǒng)是可以忽略的。

可見，本發(fā)明可以兼容目前空間x射線通信的基本需求。由于本發(fā)明的x射線單脈沖光子數(shù)足夠高，因此可以采用x射線對第二半導(dǎo)體激光器903腔內(nèi)調(diào)制方式實現(xiàn)x射線→激光的轉(zhuǎn)換功能，采集x射線承載的信息，再利用光電探測器6實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換即可，轉(zhuǎn)換效率方面，實驗證明，對于10kev以上的x射線，x射線→激光轉(zhuǎn)換模塊9電流靈敏度約為10^-17c·cm²,與半導(dǎo)體探測器靈敏度相當，可以用于x射線信號的采集；另一方面，在真空遠距離通信場景時，也可以采用mcp直接測量x射線信號，相當于只采用本發(fā)明的激光→x射線轉(zhuǎn)換模塊的功能，實現(xiàn)空間x射線通信需求。

對于遠距離傳輸?shù)认到y(tǒng)實用性方面，本發(fā)明的級聯(lián)模式具有非常獨特的功能。以空間通信為例，當x射線由于發(fā)散在一定距離處發(fā)生粒子數(shù)降低時，我們可以先將x射線轉(zhuǎn)換為激光，再通過設(shè)置在中繼衛(wèi)星中的中繼激光放大器將信號進行保真放大，然后再轉(zhuǎn)換為x射線進行傳輸。隨著空間中繼衛(wèi)星數(shù)目的不斷增多，這種處理方案更加簡單易行。另外，對于空間站等載人航天器，其內(nèi)部需要盡可能降低射線劑量，因此希望航天器內(nèi)部需要采用常規(guī)的激光通信方式，此時，本發(fā)明聯(lián)袂通信的優(yōu)勢將進一步體現(xiàn)，通過對x射線信號的一收一發(fā)即可完成信息通訊。

圖4則展示了本發(fā)明在地面通信和空間通信的基本模式，地面依然使用現(xiàn)有光通信系統(tǒng)，外空間主要采用x射線通信方式，聯(lián)袂通信與現(xiàn)有空間激光通信系統(tǒng)可以直接兼容，對射線通信進行功能補充，進而實現(xiàn)地面和太空的全空間、實時、聯(lián)合通信的能力。

最后，需要指出的是，考慮到空間宇宙射線的干擾，在本發(fā)明應(yīng)用在空間通信領(lǐng)域時，實際系統(tǒng)搭建中，還需要引入其他探測器進行波形甄別，或者采用探測器屏蔽等手段去除偽信號，這里暫不作詳細介紹。