一種利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置。包括激光器、模式匹配光學器件、至少一塊反射鏡、匯聚透鏡、光電探測器、函數(shù)發(fā)生器、采集卡和計算機。本裝置將對拼接鏡相位的檢測轉化為對有拼接鏡組成的光學諧振腔衰蕩時間的檢測，通過調節(jié)拼接子鏡傾斜和平移提高光學諧振腔的衰蕩時間，實現(xiàn)對拼接鏡的共相位控制。
【專利說明】一種利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學領域，涉及到一種利用光腔衰蕩技術實現(xiàn)拼接鏡共相位控制的裝置。
【背景技術】
[0002]光腔衰蕩技術(Cavity Ring-Down,CRD)是一種超高靈敏度探測技術,該技術不直接測量光強，而是測量光束在光學諧振腔內的衰蕩時間，光源輸出功率的波動噪聲不影響測量結果，是一種裝置簡單的絕對測量技術。光腔衰蕩技術相對于傳統(tǒng)測量方法具有無可比擬的優(yōu)勢和廣泛的應用領域，自從上世紀80年代被提出后吸引了世界許多國家研究者的目光，應用領域范圍也在不斷地擴大。光腔衰蕩技術已經實現(xiàn)對包括氣體、液體、固體、等離子體、大氣懸浮顆粒等物質的光譜測量。光腔衰蕩技術還在痕量氣體檢測，火焰中物質成分、固體薄膜吸收、光纖彎曲損耗、等離子體自由基濃度、高反射率測量等方面有著廣泛的應用。
[0003]在波長一定時，望遠鏡的分辨率隨主鏡的口徑增加而提高。但是大口徑的單一主鏡對鏡面制備、加工檢測等方面提出了前所未有的挑戰(zhàn)。拼接鏡的方法既能實現(xiàn)大口徑望遠鏡的光學性能，又能降低鏡子的加工成本和周期，為大望遠鏡開辟了一條新的路徑。然而，只有當拼接子鏡嚴格共相位時才能夠達到相同口徑望遠鏡的成像質量。20世紀90年代末至今，人們提出了多種共相位檢測的方法，例如在拼接子鏡之間采用邊緣位移傳感器、檢測望遠鏡遠場光斑、光學元件面形檢測干涉儀等方法。
[0004]對由拼接鏡和反射鏡組成的光學諧振腔，從光腔衰蕩角度講，拼接子鏡的傾斜和平移程度與光腔衰蕩時間有關。當拼接子鏡嚴格共相位時，光學諧振腔的衰蕩時間最大；拼接子鏡不滿足共相位時，會在諧振腔中引入衍射損耗，降低諧振腔的衰蕩時間。

【發(fā)明內容】

[0005]基于當拼接子鏡嚴格共相位時，光學諧振腔的衰蕩時間最大；拼接子鏡不滿足共相位時，會在諧振腔中引入衍射損耗，降低諧振腔的衰蕩時間的現(xiàn)象，本發(fā)明提出了一種新型的利用光腔衰蕩技術對拼接鏡共相位控制的裝置。
[0006]一種利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，包括激光器，模式匹配光學器件，拼接鏡，光學諧振腔腔鏡，聚焦透鏡，光電探測器，函數(shù)發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其特征在于:
[0007]所述光學諧振腔腔鏡至少包括一第一光學諧振腔腔鏡；也可以包含一第二光學諧振腔腔鏡。拼接鏡和光學諧振腔腔鏡組成穩(wěn)定光學諧振腔；
[0008]激光器發(fā)出的光束經過模式匹配光學器件調制，入射到光學諧振腔中；
[0009]聚焦透鏡，位于第一光學諧振腔腔鏡后，將透過光學諧振腔腔鏡的光束聚焦到光電探測器上；
[0010]光電探測器，與數(shù)據(jù)采集卡相連，將光信號轉化為電信號；[0011 ] 數(shù)據(jù)采集卡，與計算機相連，用于采集光電探測器輸出的電信號，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機；
[0012]計算機，控制函數(shù)發(fā)生器產生波形，接收采集卡輸入的電信號，與拼接鏡相連；
[0013]函數(shù)發(fā)生器，一端與計算機相連，另外一端與激光器相連；
[0014]進行共相位控制時，計算機向拼接子鏡施加擾動，檢測諧振腔衰蕩時間的變化，如果衰蕩時間增加，下一次施加正向擾動，否則施加反向擾動。
[0015]通過移動模式匹配光學器件中元件的距離或者透鏡的焦距，使激光器發(fā)出的激光是光學諧振腔的一個本征模式。有兩種方法可以實現(xiàn)光學諧振腔的模式匹配，第一方法，測量激光器輸出光束q參數(shù)，根據(jù)矩陣光學方法，計算滿足模式匹配條件時，模式匹配光學系統(tǒng)的參數(shù)；第二種方法是固定光學諧振腔的狀態(tài)不變，以光學諧振腔衰蕩時間最長為目標，調節(jié)匹配光學系統(tǒng)的參數(shù)，當光腔衰蕩時間最長時，光學諧振腔內的模式耦合最小，光腔衰蕩時間最大。
[0016]拼接鏡和至少一塊光學諧振腔腔鏡組成的光學諧振腔為穩(wěn)定腔；光學諧振腔至少包含一塊反射鏡，當只用一塊反射鏡時，反射鏡與拼接鏡共軸平行，組成直腔；使用多塊反射鏡時，反射鏡和拼接鏡組成折疊腔。
[0017]激光器輸出光束為高斯光束，可以是厄米-高斯光束，也可以是拉蓋爾-高斯光束，特殊模式的輸出光束可以降低拼接子鏡間隙的損耗。
[0018]匯聚透鏡位于光電探測器之前，起到將光束匯聚到光電探測器感光區(qū)域中的作用。計算機需要計算光學諧振腔衰蕩時間，定義衰蕩腔的衰蕩時間τ為出射光強I (t)衰減為初始透射光強I1的Ι/e時所需時間。
[0019]拼接子鏡的傾斜、平移可以改變光學諧振腔的損耗，但是拼接子鏡的傾斜和平移與諧振腔的損耗關系復雜，進行共相位控制時，計算機向拼接子鏡施加擾動，檢測諧振腔衰蕩時間的變化，如果衰蕩時間增加，下一次施加正向擾動，否則施加反向擾動。
[0020]本發(fā)明的原理如下:
[0021]對于有拼接鏡組成的光學諧振腔，拼接子鏡的共相位誤差會在諧振腔中引入衍射損耗，導致光學諧振腔衰蕩時間減少，只有當拼接子鏡在嚴格滿足共相位條件時，光學諧振腔的衰蕩時間最長。因此為了實現(xiàn)對拼接鏡的共相位控制，本發(fā)明首先將拼接鏡和至少一塊反射鏡組成光學諧振腔，以光學諧振腔衰蕩時間最長為目標，通過隨機尋優(yōu)的方式，調節(jié)拼接子鏡的傾斜、平移，實現(xiàn)對拼接鏡的共相位控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明裝置的一種實施方式光路示意圖；
[0023]圖2拼接鏡之間平移誤差的大小與衰蕩時間之間的關系仿真結果；
[0024]圖3基于隨機并行梯度下降算法的共相位控制仿真結果。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0026]如圖1所示，一種利用光腔衰蕩技術對拼接鏡共相位控制裝置，包括激光器(I)，模式匹配光學器件(2)，拼接鏡(3)，光學諧振腔鏡((4-1)和(4-2))，聚焦透鏡(5)，光電探測器(6)，函數(shù)發(fā)生器(7)，數(shù)據(jù)采集卡(8)，計算機(9)。
[0027]采用如圖1所示的裝置進行拼接鏡共相位控制的方法如下:
[0028]I)拼接鏡(3)是由兩塊拼接子鏡組成的，為了減小拼接子鏡之間縫隙引入的損耗，激光器(I)輸出的模式為TEMltl模光束；
[0029]2)參見圖1，光學諧振腔包括一第一光學諧振腔腔鏡(4-1)，第一光學諧振腔腔鏡(4-1)為平面鏡；還包括一第二光學諧振腔腔鏡(4-2)，其曲率半徑R=6米；拼接鏡(3)是平面鏡，第一光學諧振腔腔鏡(4-1)，第二光學諧振腔腔鏡(4-2)和拼接鏡(3)組成半共焦腔，即腔長L = R/2 ;
[0030]3)通過移動模式匹配光學器件(2)中元件的距離，使注入到光學諧振腔中的光束束腰位于拼接子鏡鏡面上，本實施實例仿真了拼接子鏡之間平移誤差大小對諧振腔衰蕩時間影響，如圖2所示；
[0031]4)計算機(9)通過函數(shù)發(fā)生器(7)對激光器(I)的輸出功率進行調制，產生方波輸出信號，在激光功率的下降沿，通過采集卡(8)采集光電探測器(6)測量到的激光強度信號，計算機(9)通過曲線擬合的方式求光學諧振腔衰蕩時間，定義衰蕩時間τ為出射光強I (t)衰減為初始透射光強I1的Ι/e時所需時間；
[0032]5)在本實施例中，采用隨機并行梯度下降算法作為隨機尋優(yōu)控制方法。以衰蕩時間τ最大作為隨機并行梯度下降算法的控制目標，利用隨機并行梯度下降算法實時計算拼接子鏡的平移誤差，本實施例仿真了對拼接子鏡平移誤差的控制效果，如圖3所示。
【權利要求】
1.一種利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，包括激光器(1)，模式匹配光學器件(2)，拼接鏡(3)，光學諧振腔腔鏡(4)，聚焦透鏡(5)，光電探測器(6)，函數(shù)發(fā)生器(7),數(shù)據(jù)采集卡(8)和計算機(9)，其特征在于: 拼接鏡(3)和光學諧振腔腔鏡(4)組成穩(wěn)定光學諧振腔；光學諧振腔腔鏡包括至少一第一光學諧振腔腔鏡(4-1)； 激光器(I)發(fā)出的光束經過模式匹配光學器件(2)調制，入射到光學諧振腔中； 聚焦透鏡(5)，位于第一光學諧振腔腔鏡(4-1)后，將透過第一光學諧振腔腔鏡(4-1)的光束聚焦到光電探測器(6)上； 光電探測器(6 )，與數(shù)據(jù)采集卡(8 )相連，將光信號轉化為電信號； 數(shù)據(jù)采集卡(8 )，與計算機(9 )相連，用于采集光電探測器(6 )輸出的電信號，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(9); 計算機(9)，控制函數(shù)發(fā)生器(7)產生波形，接收采集卡(8)輸入的電信號，與拼接鏡(3)相連； 函數(shù)發(fā)生器(7)，一端與計算機(9)相連，另外一端與激光器(I)相連； 進行共相位控制時，計算機(9)向拼接子鏡施加擾動，檢測諧振腔衰蕩時間的變化，如果衰蕩時間增加，下一次施加正向擾動，否則施加反向擾動。
2.如權利要求1所述利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，其特征在于，所述的模式匹配光學器件(2)為是正透鏡、負透鏡、或者是正透鏡和負透鏡的組合，模式匹配光學器件(2 )中至少一個元件能改變焦距或沿激光器光束傳輸方向移動。
3.如權利要求1所述利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，其特征在于，所述的拼接鏡(3)由至少由兩塊拼接子鏡組成，拼接子鏡帶有可以調節(jié)傾斜或平移的裝置。
4.如權利要求1所述利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，其特征在于，所述的光學諧振腔包括拼接鏡(3)和至少一塊光學諧振腔腔鏡(4)； 所述的光學諧振腔為穩(wěn)定腔: 只用一塊光學諧振腔腔鏡時，所述光學諧振腔腔鏡為一第一光學諧振腔腔鏡(4-1)，所述第一光學諧振腔腔鏡(4-1)與拼接鏡(3)共軸平行，組成直腔； 使用多塊光學諧振腔腔鏡時，所述光學諧振腔腔鏡包括一第一光學諧振腔腔鏡(4-1)，以及第二光學諧振腔腔鏡(4-2)，所述第一光學諧振腔腔鏡(4-1)，第二光學諧振腔腔鏡(4-2)和拼接鏡(3)組成折疊腔。
5.如權利要求1所述利用光腔衰蕩技術進行拼接鏡共相位控制的裝置，其特征在于，所述的函數(shù)發(fā)生器(7)產生的波形為方形波，方形波的高電平和低電平持續(xù)最小時間為5微秒。
【文檔編號】G02B26/06GK103869462SQ201410123961
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權日:2014年3月28日
【發(fā)明者】晏虎, 何星, 劉文勁, 楊平, 許冰 申請人:中國科學院光電技術研究所