本發(fā)明涉及激光遙感、大氣探測(cè)、光電探測(cè)領(lǐng)域，具體為相干激光雷達(dá)FC/APC光纖耦合離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)方法。

背景技術(shù)：

相干激光雷達(dá)因有高精度、高時(shí)空分辨率和廣范圍探測(cè)的特點(diǎn)，引起了氣象、航空安全和風(fēng)能等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。相干激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括激光器、望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)器和信號(hào)處理單元。本發(fā)明所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，在系統(tǒng)中起到發(fā)射激光和接收回波信號(hào)的作用。為了能夠精確探測(cè)目標(biāo)，需要對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的裝調(diào)。而且，相干光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光光束質(zhì)量要求很高，這對(duì)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)提出了嚴(yán)格要求。

本發(fā)明采用全光纖結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，能夠有效增強(qiáng)相干系統(tǒng)的穩(wěn)定性。望遠(yuǎn)鏡采取收發(fā)合置的離軸系統(tǒng)，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(fā)射激光時(shí)，光束從FC/APC光纖連接器端面出射，經(jīng)離軸反射鏡擴(kuò)束，入射到大氣中；接收信號(hào)時(shí)，離軸反射鏡接收信號(hào)光后，將光束聚焦至離軸反射鏡的焦點(diǎn)，由焦點(diǎn)位置耦合進(jìn)入FC/APC光纖連接器。如圖1所示，F(xiàn)C/APC光纖連接器由于其端面有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(hù)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(wú)法沿光軸方向反射回去，也無(wú)法形成干涉條紋。由于離軸反射鏡將光束耦合至光纖端面需要確定會(huì)聚的焦點(diǎn)位置，而FC/APC光纖連接器的斜端面導(dǎo)致會(huì)聚焦點(diǎn)不在光軸上，難以確定離軸反射鏡的焦點(diǎn)位置。這為望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)帶來(lái)困難。上述出現(xiàn)的問(wèn)題，在配置FC/PC光纖連接器的光學(xué)系統(tǒng)中并不存在。由于FC/PC光纖連接器端面沒有斜角，光束入射至該端面時(shí)可沿原路返回，并可確定離軸反射鏡的會(huì)聚焦點(diǎn)一定位于光軸上。因而傳統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)可以很好地裝調(diào)FC/PC光纖連接器。而對(duì)于FC/APC光纖連接器，適用于FC/PC光纖連接器的裝調(diào)技術(shù)難以實(shí)施。為了確定光纖會(huì)聚焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)光纖耦合效果最優(yōu)化，需發(fā)明一種新型裝調(diào)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明的目的是提出一種相干激光雷達(dá)FC/APC光纖耦合離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)方法。方法利用干涉儀檢測(cè)，將原先會(huì)聚在FC/APC光纖適配器內(nèi)部的焦面，通過(guò)增加平面反射玻璃補(bǔ)償光路，使得焦點(diǎn)會(huì)聚至光纖適配器外表面，解決難以確定會(huì)聚焦點(diǎn)位置的問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種相干激光雷達(dá)FC/APC光纖耦合離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)方法，所述望遠(yuǎn)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，其特征在于，包括如下的步驟：

步驟1：裝調(diào)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于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(diào)FC/APC光纖適配器，使離軸拋物面反射鏡出射的光束會(huì)聚到FC/APC光纖適配器外表面中心小孔位置；

步驟5：在FC/APC光纖中通入激光光束，利用光纖適配器出射光束與ZYGO干涉儀返回的平行光束，微調(diào)FC/APC光纖適配器的前后位置直至兩光束光強(qiáng)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，平面反射玻璃緊貼于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(fā)明是相干激光雷達(dá)系統(tǒng)中FC/APC光纖耦合離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)方法。由于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(diǎn)位置。本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)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(huì)聚焦點(diǎn)從光纖適配器內(nèi)部，補(bǔ)償至外表面。

借助ZYGO干涉儀發(fā)射平行光束，經(jīng)離軸反射鏡將光束聚焦在球面反射鏡的焦點(diǎn)位置。光束到達(dá)球面反射鏡后又經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)，這就相當(dāng)于從焦點(diǎn)位置出射的球面波沿原先光路返回到離軸反射鏡，經(jīng)拋物面反射鏡準(zhǔn)直后形成平行光束，重新進(jìn)入ZYGO干涉儀構(gòu)成干涉光路，利用ZYGO干涉儀可計(jì)算分析離軸反射鏡的裝調(diào)量。一旦完成拋物面反射鏡的裝調(diào)后，可對(duì)FC/APC光纖進(jìn)行裝調(diào)。具體實(shí)施辦法是通過(guò)調(diào)整固定FC/APC光纖適配器前后位置的螺紋實(shí)現(xiàn)，調(diào)整固定螺紋的位置，使得光纖適配器外表面置于離軸拋物面反射鏡的焦點(diǎn)位置。根據(jù)ZYGO干涉儀顯示的圖像信息，對(duì)相干激光雷達(dá)離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)施裝調(diào)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)選取平面反射玻璃補(bǔ)償離軸反射鏡焦點(diǎn)會(huì)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(dǎo)致的難以確定焦點(diǎn)位置的問(wèn)題。只借助平面玻璃輔助裝調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)。

(2)利用ZYGO干涉儀對(duì)離軸望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行裝調(diào)，干涉儀的參考光與返回的平行光構(gòu)成干涉光路，通過(guò)干涉現(xiàn)象裝調(diào)離軸反射鏡。這種方式具有很好的檢測(cè)精度，同時(shí)效率很高。

(3)過(guò)程中實(shí)施分步裝調(diào)，先利用球面反射鏡裝調(diào)離軸拋物面反射鏡，再利用離軸反射鏡裝調(diào)FC/APC光纖連接器，操作簡(jiǎn)單，提高了裝調(diào)效率。

(4)為其他光纖器件的裝調(diào)提供技術(shù)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)輔助裝調(diào)器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)類似光學(xué)系統(tǒng)的校準(zhǔn)和調(diào)試。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FC/APC光纖連接器和光纖適配器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡裝調(diào)離軸拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FC/APC光纖連接器和離軸拋物面反射鏡裝調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

相干激光雷達(dá)FC/APC光纖耦合離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)方法中使用到離軸拋物面反射鏡、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、FC/APC光纖連接器、FC/APC光纖適配器和ZYGO平面干涉儀。

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FC/APC光纖連接器和光纖適配器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，F(xiàn)C/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(hù)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(nèi)部中空，外表面的端面垂直于光軸，端面中心處有一中通小孔，用于光束出射。在本發(fā)明的相干雷達(dá)系統(tǒng)中，相干激光需要從FC/APC光纖連接器中出射，發(fā)射到離軸擴(kuò)束反射鏡，經(jīng)反射鏡發(fā)射到大氣；后向散射光也經(jīng)離軸反射鏡接收，反射并耦合至FC/APC光纖連接器。但由于FC/APC光纖連接器的端面為斜面，難以確定離軸反射鏡的會(huì)聚焦點(diǎn)位置。而為了確定會(huì)聚焦點(diǎn)位置，需要將會(huì)聚焦面補(bǔ)償至方便裝調(diào)的輔助端面上。

實(shí)際上，F(xiàn)C/APC光纖適配器提供的外表面恰好可用作輔助端面。由于其外表面垂直于光軸，其中心小孔對(duì)稱地穿過(guò)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(huì)聚至FC/APC光纖適配器內(nèi)部的焦面，補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)。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，并將此反射面緊貼于FC/APC光纖適配器。如圖1，假設(shè)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(zhǎng)+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(bǔ)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(dá)玻璃反射面和光纖端面中心垂直于光軸的表面的光程相等，由此達(dá)到補(bǔ)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(lái)，保證入射光到達(dá)這兩反射面并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(shí)現(xiàn)將離軸反射鏡會(huì)聚焦面補(bǔ)償至FC/APC光纖適配器外表面的目的。這時(shí)只是保證焦面位于FC/APC光纖適配器外表面，還需確定焦點(diǎn)位置。根據(jù)上述裝調(diào)離軸反射鏡的過(guò)程，可確定焦點(diǎn)和FC/APC光纖適配器中心小孔都位于FC/APC光纖連接器的光軸上。只需調(diào)整FC/APC光纖適配器的前后位置，即可令光纖適配器中心小孔與焦點(diǎn)重合，這時(shí)FC/APC光纖發(fā)出的球面波可經(jīng)拋物面反射鏡反射準(zhǔn)直為平行光束。在結(jié)束FC/APC光纖端面的光程補(bǔ)償和裝調(diào)之后，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(shí)驗(yàn)中整個(gè)光路的光程。

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡裝調(diào)離軸拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明中所述離軸拋物面反射鏡用于準(zhǔn)直FC/APC光纖出射的發(fā)散球面波。在裝調(diào)FC/APC光纖連接器和FC/APC適配器之前，先要裝調(diào)離軸拋物面反射鏡。如圖2所示，ZYGO干涉儀出射平行光束，平行入射至離軸反射鏡，經(jīng)反射后聚焦在拋物面反射鏡的焦點(diǎn)F處。光束通過(guò)焦點(diǎn)后發(fā)散，可視為由焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源發(fā)出的球面波。在球面波行進(jìn)的垂直方向放置一塊標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)重合。這樣光束沿原路回到離軸反射鏡，經(jīng)反射鏡出射準(zhǔn)直為平行光束，入射至ZYGO干涉儀。入射的平行光束與干涉儀的參考光發(fā)生干涉，形成自準(zhǔn)干涉補(bǔ)償檢驗(yàn)光路。利用干涉儀的顯示輸出對(duì)離軸反射鏡進(jìn)行裝調(diào)。為方便后續(xù)調(diào)整，裝調(diào)過(guò)程中保證離軸反射鏡的焦點(diǎn)位于FC/APC光纖連接器的光軸上。

標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的作用是使離軸反射鏡的會(huì)聚光束沿原路返回，使得返程光束能夠回到干涉儀，形成干涉條紋。本發(fā)明需要將標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的球心與離軸反射鏡的焦點(diǎn)重合，可根據(jù)離軸反射鏡的焦距粗調(diào)球面鏡球心位置。確定離軸反射鏡焦點(diǎn)的大致位置后，不斷微調(diào)球面鏡的位置，使得其球心與焦點(diǎn)位置一致。

圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FC/APC光纖連接器和離軸拋物面反射鏡裝調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖。ZYGO平面干涉儀用于出射平行光束，形成自準(zhǔn)干涉補(bǔ)償光路，實(shí)現(xiàn)相干系統(tǒng)的離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡裝調(diào)。利用ZYGO干涉儀對(duì)FC/APC光纖裝調(diào)時(shí)，需將光纖適配器外表面中心小孔置于上述裝調(diào)過(guò)程中離軸拋物面反射鏡的焦點(diǎn)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(bǔ)償光程。FC/APC光纖適配器固定在通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)前后方向的機(jī)械裝置上，光纖適配器的上下和左右方向事先緊固。裝調(diào)時(shí)需要從FC/APC光纖端面出射激光，調(diào)整光纖適配器的固定螺紋，使得ZYGO干涉儀出射的激光和光纖出射激光從光纖適配器外表面入射至離軸拋物面反射鏡，再準(zhǔn)直至ZYGO干涉儀。根據(jù)ZYGO干涉儀顯示的圖像觀察這兩束激光的強(qiáng)度和位置關(guān)系，微調(diào)光纖適配器前后位置直至ZYGO干涉儀顯示這兩束激光強(qiáng)度最大且位置同心。這時(shí)離軸反射鏡焦點(diǎn)已經(jīng)會(huì)聚至光纖適配器外表面中心小孔位置，實(shí)現(xiàn)了確定焦點(diǎn)位置的要求，至此對(duì)整個(gè)離軸收發(fā)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)裝調(diào)完成。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。