相干雷射雷達FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法與流程
2023-07-21 09:28:11
本發明涉及雷射遙感、大氣探測、光電探測領域，具體為相干雷射雷達FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法。
背景技術：
相干雷射雷達因有高精度、高時空解析度和廣範圍探測的特點，引起了氣象、航空安全和風能等領域的廣泛關注。相干雷射雷達系統主要包括雷射器、望遠鏡、探測器和信號處理單元。本發明所述的望遠鏡系統，在系統中起到發射雷射和接收回波信號的作用。為了能夠精確探測目標，需要對望遠鏡系統進行細緻的裝調。而且，相干光學系統對雷射光束質量要求很高，這對望遠鏡的裝調提出了嚴格要求。
本發明採用全光纖結構的望遠鏡系統，能夠有效增強相干系統的穩定性。望遠鏡採取收發合置的離軸系統，主要包括離軸拋物面反射鏡、FC/APC(Angled Physical Contact)光纖連接器和FC/APC光纖適配器。發射雷射時，光束從FC/APC光纖連接器端面出射，經離軸反射鏡擴束，入射到大氣中；接收信號時，離軸反射鏡接收信號光後，將光束聚焦至離軸反射鏡的焦點，由焦點位置耦合進入FC/APC光纖連接器。如圖1所示，FC/APC光纖連接器由於其端面有8度斜角，相比較FC/PC(Physical Contact)光纖連接器的平頭端面，能夠大幅度提高回波損耗，減少反射。為固定和保護FC/APC光纖連接器端面，在光軸方向配置FC/APC光纖適配器。
FC/APC光纖連接器的斜端面使得入射至光纖端面的光束，無法沿光軸方向反射回去，也無法形成幹涉條紋。由於離軸反射鏡將光束耦合至光纖端面需要確定會聚的焦點位置，而FC/APC光纖連接器的斜端面導致會聚焦點不在光軸上，難以確定離軸反射鏡的焦點位置。這為望遠鏡的裝調帶來困難。上述出現的問題，在配置FC/PC光纖連接器的光學系統中並不存在。由於FC/PC光纖連接器端面沒有斜角，光束入射至該端面時可沿原路返回，並可確定離軸反射鏡的會聚焦點一定位於光軸上。因而傳統的裝調技術可以很好地裝調FC/PC光纖連接器。而對於FC/APC光纖連接器，適用於FC/PC光纖連接器的裝調技術難以實施。為了確定光纖會聚焦點位置，實現光纖耦合效果最優化，需發明一種新型裝調方法。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明的目的是提出一種相干雷射雷達FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法。方法利用幹涉儀檢測，將原先會聚在FC/APC光纖適配器內部的焦面，通過增加平面反射玻璃補償光路，使得焦點會聚至光纖適配器外表面，解決難以確定會聚焦點位置的問題。
(二)技術方案
本發明提供了一種相干雷射雷達FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法，所述望遠鏡包括離軸拋物面反射鏡、FC/APC光纖適配器、FC/APC光纖連接器，其特徵在於，包括如下的步驟：
步驟1：裝調離軸拋物面反射鏡；
步驟2：取特定厚度的平面反射玻璃緊貼於FC/APC光纖適配器外表面；
步驟3：將FC/APC光纖連接器與FC/APC光纖適配器相連；
步驟4：微調FC/APC光纖適配器，使離軸拋物面反射鏡出射的光束會聚到FC/APC光纖適配器外表面中心小孔位置；
步驟5：在FC/APC光纖中通入雷射光束，利用光纖適配器出射光束與ZYGO幹涉儀返回的平行光束，微調FC/APC光纖適配器的前後位置直至兩光束光強最大且同心；
步驟6：固定FC/APC光纖連接器和FC/APC光纖適配器；
步驟7：去除平面反射玻璃。
其中，所述FC/APC光纖連接器的端面有8度斜角。
其中，平面反射玻璃緊貼於FC/APC光纖適配器外表面的一面具有反射膜，另一面可透射。
(三)有益效果
本發明是相干雷射雷達系統中FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法。由於FC/APC光纖連接器端面與光軸有一定的斜角，難以確定離軸反射鏡的焦點位置。本發明通過簡單地在FC/APC光纖適配器外表面緊貼一片平面反射玻璃，利用玻璃折射率與空氣折射率不同，將會聚焦點從光纖適配器內部，補償至外表面。
藉助ZYGO幹涉儀發射平行光束，經離軸反射鏡將光束聚焦在球面反射鏡的焦點位置。光束到達球面反射鏡後又經過焦點，這就相當於從焦點位置出射的球面波沿原先光路返回到離軸反射鏡，經拋物面反射鏡準直後形成平行光束，重新進入ZYGO幹涉儀構成幹涉光路，利用ZYGO幹涉儀可計算分析離軸反射鏡的裝調量。一旦完成拋物面反射鏡的裝調後，可對FC/APC光纖進行裝調。具體實施辦法是通過調整固定FC/APC光纖適配器前後位置的螺紋實現，調整固定螺紋的位置，使得光纖適配器外表面置於離軸拋物面反射鏡的焦點位置。根據ZYGO幹涉儀顯示的圖像信息，對相干雷射雷達離軸收發望遠鏡系統實施裝調。
本發明具有如下優點：
(1)選取平面反射玻璃補償離軸反射鏡焦點會聚至FC/APC光纖適配器外表面的光程差，解決光纖端面斜角導致的難以確定焦點位置的問題。只藉助平面玻璃輔助裝調，結構簡單，可重複性強。
(2)利用ZYGO幹涉儀對離軸望遠鏡系統進行裝調，幹涉儀的參考光與返回的平行光構成幹涉光路，通過幹涉現象裝調離軸反射鏡。這種方式具有很好的檢測精度，同時效率很高。
(3)過程中實施分步裝調，先利用球面反射鏡裝調離軸拋物面反射鏡，再利用離軸反射鏡裝調FC/APC光纖連接器，操作簡單，提高了裝調效率。
(4)為其他光纖器件的裝調提供技術方法，通過設計輔助裝調器件，實現對類似光學系統的校準和調試。
附圖說明
圖1為本發明的一個實施例的FC/APC光纖連接器和光纖適配器的結構示意圖；
圖2為本發明的一個實施例的標準球面反射鏡裝調離軸拋物面反射鏡的結構示意圖；
圖3為本發明的一個實施例的FC/APC光纖連接器和離軸拋物面反射鏡裝調的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
相干雷射雷達FC/APC光纖耦合離軸收發望遠鏡的裝調方法中使用到離軸拋物面反射鏡、標準球面反射鏡、FC/APC光纖連接器、FC/APC光纖適配器和ZYGO平面幹涉儀。
圖1為本發明的一個實施例的FC/APC光纖連接器和光纖適配器的結構示意圖。如圖1所示，FC/APC光纖連接器與FC/APC光纖適配器相互連接，其中FC/APC光纖連接器端面與光纖光軸垂直面有8度斜角。相連的FC/APC光纖適配器具有保護和固定FC/APC光纖連接器作用。FC/APC光纖適配器罩在FC/APC光纖連接器上，適配器內部中空，外表面的端面垂直於光軸，端面中心處有一中通小孔，用於光束出射。在本發明的相干雷達系統中，相干雷射需要從FC/APC光纖連接器中出射，發射到離軸擴束反射鏡，經反射鏡發射到大氣；後向散射光也經離軸反射鏡接收，反射並耦合至FC/APC光纖連接器。但由於FC/APC光纖連接器的端面為斜面，難以確定離軸反射鏡的會聚焦點位置。而為了確定會聚焦點位置，需要將會聚焦面補償至方便裝調的輔助端面上。
實際上，FC/APC光纖適配器提供的外表面恰好可用作輔助端面。由於其外表面垂直於光軸，其中心小孔對稱地穿過光軸，可在外表面緊貼半透半反玻璃，利用玻璃與空氣的折射率差異，將原本會聚至FC/APC光纖適配器內部的焦面，補償至光纖適配器外表面。所述的FC/APC光纖連接器和FC/APC光纖適配器都選用Thorlabs公司的FC/APC標準的光纖元件，從FC/APC光纖連接器端面到光纖適配器外表面的距離為L。取折射率為n，厚度為d的平面反射玻璃，其中一面可透射，另一面鍍上反射膜，並將此反射面緊貼於FC/APC光纖適配器。如圖1，假設一束平行光從外界入射FC/APC光纖連接器，從平面反射玻璃外表面到FC/APC光纖連接器端面的平均光程為L+d，從平面反射玻璃外表面到其反射面的光程為n·d。焦面能夠補償至FC/APC光纖適配器外表面的條件為從玻璃外表面入射的光束，分別到達玻璃反射面和光纖端面中心垂直於光軸的表面的光程相等，由此達到補償光程的作用。以平面反射鏡外表面作為參考面，入射光分別沿玻璃反射面和FC/APC光纖連接器端面反射出來，保證入射光到達這兩反射面並返回到原位置的光程相等，即：
2(L+d)＝2nd
得到：
d＝L/(n-1)
只需選取平面反射玻璃的折射率n，就可確定出其厚度d，實現將離軸反射鏡會聚焦面補償至FC/APC光纖適配器外表面的目的。這時只是保證焦面位於FC/APC光纖適配器外表面，還需確定焦點位置。根據上述裝調離軸反射鏡的過程，可確定焦點和FC/APC光纖適配器中心小孔都位於FC/APC光纖連接器的光軸上。只需調整FC/APC光纖適配器的前後位置，即可令光纖適配器中心小孔與焦點重合，這時FC/APC光纖發出的球面波可經拋物面反射鏡反射準直為平行光束。在結束FC/APC光纖端面的光程補償和裝調之後，固定FC/APC光纖連接器和FC/APC光纖適配器，平面反射玻璃從光纖適配器外表面去除，不影響實驗中整個光路的光程。
圖2為本發明的一個實施例的標準球面反射鏡裝調離軸拋物面反射鏡的結構示意圖。本發明中所述離軸拋物面反射鏡用於準直FC/APC光纖出射的發散球面波。在裝調FC/APC光纖連接器和FC/APC適配器之前，先要裝調離軸拋物面反射鏡。如圖2所示，ZYGO幹涉儀出射平行光束，平行入射至離軸反射鏡，經反射後聚焦在拋物面反射鏡的焦點F處。光束通過焦點後發散，可視為由焦點處的點光源發出的球面波。在球面波行進的垂直方向放置一塊標準球面反射鏡，使得球面反射鏡的球心O與離軸反射鏡F的焦點重合。這樣光束沿原路回到離軸反射鏡，經反射鏡出射準直為平行光束，入射至ZYGO幹涉儀。入射的平行光束與幹涉儀的參考光發生幹涉，形成自準幹涉補償檢驗光路。利用幹涉儀的顯示輸出對離軸反射鏡進行裝調。為方便後續調整，裝調過程中保證離軸反射鏡的焦點位於FC/APC光纖連接器的光軸上。
標準球面反射鏡的作用是使離軸反射鏡的會聚光束沿原路返回，使得返程光束能夠回到幹涉儀，形成幹涉條紋。本發明需要將標準球面鏡的球心與離軸反射鏡的焦點重合，可根據離軸反射鏡的焦距粗調球面鏡球心位置。確定離軸反射鏡焦點的大致位置後，不斷微調球面鏡的位置，使得其球心與焦點位置一致。
圖3為本發明的一個實施例的FC/APC光纖連接器和離軸拋物面反射鏡裝調的結構示意圖。ZYGO平面幹涉儀用於出射平行光束，形成自準幹涉補償光路，實現相干系統的離軸收發望遠鏡裝調。利用ZYGO幹涉儀對FC/APC光纖裝調時，需將光纖適配器外表面中心小孔置於上述裝調過程中離軸拋物面反射鏡的焦點位置。如圖3所示，利用貼有平面反射玻璃的FC/APC光纖適配器補償光程。FC/APC光纖適配器固定在通過螺紋調節前後方向的機械裝置上，光纖適配器的上下和左右方向事先緊固。裝調時需要從FC/APC光纖端面出射雷射，調整光纖適配器的固定螺紋，使得ZYGO幹涉儀出射的雷射和光纖出射雷射從光纖適配器外表面入射至離軸拋物面反射鏡，再準直至ZYGO幹涉儀。根據ZYGO幹涉儀顯示的圖像觀察這兩束雷射的強度和位置關係，微調光纖適配器前後位置直至ZYGO幹涉儀顯示這兩束雷射強度最大且位置同心。這時離軸反射鏡焦點已經會聚至光纖適配器外表面中心小孔位置，實現了確定焦點位置的要求，至此對整個離軸收發望遠鏡系統裝調完成。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。