相干激光雷达FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法与流程

本发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，具体为相干激光雷达FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法。

背景技术：

相干激光雷达因有高精度、高时空分辨率和广范围探测的特点，引起了气象、航空安全和风能等领域的广泛关注。相干激光雷达系统主要包括激光器、望远镜、探测器和信号处理单元。本发明所述的望远镜系统，在系统中起到发射激光和接收回波信号的作用。为了能够精确探测目标，需要对望远镜系统进行细致的装调。而且，相干光学系统对激光光束质量要求很高，这对望远镜的装调提出了严格要求。

本发明采用全光纤结构的望远镜系统，能够有效增强相干系统的稳定性。望远镜采取收发合置的离轴系统，主要包括离轴抛物面反射镜、FC/APC(Angled Physical Contact)光纤连接器和FC/APC光纤适配器。发射激光时，光束从FC/APC光纤连接器端面出射，经离轴反射镜扩束，入射到大气中；接收信号时，离轴反射镜接收信号光后，将光束聚焦至离轴反射镜的焦点，由焦点位置耦合进入FC/APC光纤连接器。如图1所示，FC/APC光纤连接器由于其端面有8度斜角，相比较FC/PC(Physical Contact)光纤连接器的平头端面，能够大幅度提高回波损耗，减少反射。为固定和保护FC/APC光纤连接器端面，在光轴方向配置FC/APC光纤适配器。

FC/APC光纤连接器的斜端面使得入射至光纤端面的光束，无法沿光轴方向反射回去，也无法形成干涉条纹。由于离轴反射镜将光束耦合至光纤端面需要确定会聚的焦点位置，而FC/APC光纤连接器的斜端面导致会聚焦点不在光轴上，难以确定离轴反射镜的焦点位置。这为望远镜的装调带来困难。上述出现的问题，在配置FC/PC光纤连接器的光学系统中并不存在。由于FC/PC光纤连接器端面没有斜角，光束入射至该端面时可沿原路返回，并可确定离轴反射镜的会聚焦点一定位于光轴上。因而传统的装调技术可以很好地装调FC/PC光纤连接器。而对于FC/APC光纤连接器，适用于FC/PC光纤连接器的装调技术难以实施。为了确定光纤会聚焦点位置，实现光纤耦合效果最优化，需发明一种新型装调方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种相干激光雷达FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法。方法利用干涉仪检测，将原先会聚在FC/APC光纤适配器内部的焦面，通过增加平面反射玻璃补偿光路，使得焦点会聚至光纤适配器外表面，解决难以确定会聚焦点位置的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种相干激光雷达FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法，所述望远镜包括离轴抛物面反射镜、FC/APC光纤适配器、FC/APC光纤连接器，其特征在于，包括如下的步骤：

步骤1：装调离轴抛物面反射镜；

步骤2：取特定厚度的平面反射玻璃紧贴于FC/APC光纤适配器外表面；

步骤3：将FC/APC光纤连接器与FC/APC光纤适配器相连；

步骤4：微调FC/APC光纤适配器，使离轴抛物面反射镜出射的光束会聚到FC/APC光纤适配器外表面中心小孔位置；

步骤5：在FC/APC光纤中通入激光光束，利用光纤适配器出射光束与ZYGO干涉仪返回的平行光束，微调FC/APC光纤适配器的前后位置直至两光束光强最大且同心；

步骤6：固定FC/APC光纤连接器和FC/APC光纤适配器；

步骤7：去除平面反射玻璃。

其中，所述FC/APC光纤连接器的端面有8度斜角。

其中，平面反射玻璃紧贴于FC/APC光纤适配器外表面的一面具有反射膜，另一面可透射。

(三)有益效果

本发明是相干激光雷达系统中FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法。由于FC/APC光纤连接器端面与光轴有一定的斜角，难以确定离轴反射镜的焦点位置。本发明通过简单地在FC/APC光纤适配器外表面紧贴一片平面反射玻璃，利用玻璃折射率与空气折射率不同，将会聚焦点从光纤适配器内部，补偿至外表面。

借助ZYGO干涉仪发射平行光束，经离轴反射镜将光束聚焦在球面反射镜的焦点位置。光束到达球面反射镜后又经过焦点，这就相当于从焦点位置出射的球面波沿原先光路返回到离轴反射镜，经抛物面反射镜准直后形成平行光束，重新进入ZYGO干涉仪构成干涉光路，利用ZYGO干涉仪可计算分析离轴反射镜的装调量。一旦完成抛物面反射镜的装调后，可对FC/APC光纤进行装调。具体实施办法是通过调整固定FC/APC光纤适配器前后位置的螺纹实现，调整固定螺纹的位置，使得光纤适配器外表面置于离轴抛物面反射镜的焦点位置。根据ZYGO干涉仪显示的图像信息，对相干激光雷达离轴收发望远镜系统实施装调。

本发明具有如下优点：

(1)选取平面反射玻璃补偿离轴反射镜焦点会聚至FC/APC光纤适配器外表面的光程差，解决光纤端面斜角导致的难以确定焦点位置的问题。只借助平面玻璃辅助装调，结构简单，可重复性强。

(2)利用ZYGO干涉仪对离轴望远镜系统进行装调，干涉仪的参考光与返回的平行光构成干涉光路，通过干涉现象装调离轴反射镜。这种方式具有很好的检测精度，同时效率很高。

(3)过程中实施分步装调，先利用球面反射镜装调离轴抛物面反射镜，再利用离轴反射镜装调FC/APC光纤连接器，操作简单，提高了装调效率。

(4)为其他光纤器件的装调提供技术方法，通过设计辅助装调器件，实现对类似光学系统的校准和调试。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的FC/APC光纤连接器和光纤适配器的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的标准球面反射镜装调离轴抛物面反射镜的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的FC/APC光纤连接器和离轴抛物面反射镜装调的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

相干激光雷达FC/APC光纤耦合离轴收发望远镜的装调方法中使用到离轴抛物面反射镜、标准球面反射镜、FC/APC光纤连接器、FC/APC光纤适配器和ZYGO平面干涉仪。

图1为本发明的一个实施例的FC/APC光纤连接器和光纤适配器的结构示意图。如图1所示，FC/APC光纤连接器与FC/APC光纤适配器相互连接，其中FC/APC光纤连接器端面与光纤光轴垂直面有8度斜角。相连的FC/APC光纤适配器具有保护和固定FC/APC光纤连接器作用。FC/APC光纤适配器罩在FC/APC光纤连接器上，适配器内部中空，外表面的端面垂直于光轴，端面中心处有一中通小孔，用于光束出射。在本发明的相干雷达系统中，相干激光需要从FC/APC光纤连接器中出射，发射到离轴扩束反射镜，经反射镜发射到大气；后向散射光也经离轴反射镜接收，反射并耦合至FC/APC光纤连接器。但由于FC/APC光纤连接器的端面为斜面，难以确定离轴反射镜的会聚焦点位置。而为了确定会聚焦点位置，需要将会聚焦面补偿至方便装调的辅助端面上。

实际上，FC/APC光纤适配器提供的外表面恰好可用作辅助端面。由于其外表面垂直于光轴，其中心小孔对称地穿过光轴，可在外表面紧贴半透半反玻璃，利用玻璃与空气的折射率差异，将原本会聚至FC/APC光纤适配器内部的焦面，补偿至光纤适配器外表面。所述的FC/APC光纤连接器和FC/APC光纤适配器都选用Thorlabs公司的FC/APC标准的光纤元件，从FC/APC光纤连接器端面到光纤适配器外表面的距离为L。取折射率为n，厚度为d的平面反射玻璃，其中一面可透射，另一面镀上反射膜，并将此反射面紧贴于FC/APC光纤适配器。如图1，假设一束平行光从外界入射FC/APC光纤连接器，从平面反射玻璃外表面到FC/APC光纤连接器端面的平均光程为L+d，从平面反射玻璃外表面到其反射面的光程为n·d。焦面能够补偿至FC/APC光纤适配器外表面的条件为从玻璃外表面入射的光束，分别到达玻璃反射面和光纤端面中心垂直于光轴的表面的光程相等，由此达到补偿光程的作用。以平面反射镜外表面作为参考面，入射光分别沿玻璃反射面和FC/APC光纤连接器端面反射出来，保证入射光到达这两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)

只需选取平面反射玻璃的折射率n，就可确定出其厚度d，实现将离轴反射镜会聚焦面补偿至FC/APC光纤适配器外表面的目的。这时只是保证焦面位于FC/APC光纤适配器外表面，还需确定焦点位置。根据上述装调离轴反射镜的过程，可确定焦点和FC/APC光纤适配器中心小孔都位于FC/APC光纤连接器的光轴上。只需调整FC/APC光纤适配器的前后位置，即可令光纤适配器中心小孔与焦点重合，这时FC/APC光纤发出的球面波可经抛物面反射镜反射准直为平行光束。在结束FC/APC光纤端面的光程补偿和装调之后，固定FC/APC光纤连接器和FC/APC光纤适配器，平面反射玻璃从光纤适配器外表面去除，不影响实验中整个光路的光程。

图2为本发明的一个实施例的标准球面反射镜装调离轴抛物面反射镜的结构示意图。本发明中所述离轴抛物面反射镜用于准直FC/APC光纤出射的发散球面波。在装调FC/APC光纤连接器和FC/APC适配器之前，先要装调离轴抛物面反射镜。如图2所示，ZYGO干涉仪出射平行光束，平行入射至离轴反射镜，经反射后聚焦在抛物面反射镜的焦点F处。光束通过焦点后发散，可视为由焦点处的点光源发出的球面波。在球面波行进的垂直方向放置一块标准球面反射镜，使得球面反射镜的球心O与离轴反射镜F的焦点重合。这样光束沿原路回到离轴反射镜，经反射镜出射准直为平行光束，入射至ZYGO干涉仪。入射的平行光束与干涉仪的参考光发生干涉，形成自准干涉补偿检验光路。利用干涉仪的显示输出对离轴反射镜进行装调。为方便后续调整，装调过程中保证离轴反射镜的焦点位于FC/APC光纤连接器的光轴上。

标准球面反射镜的作用是使离轴反射镜的会聚光束沿原路返回，使得返程光束能够回到干涉仪，形成干涉条纹。本发明需要将标准球面镜的球心与离轴反射镜的焦点重合，可根据离轴反射镜的焦距粗调球面镜球心位置。确定离轴反射镜焦点的大致位置后，不断微调球面镜的位置，使得其球心与焦点位置一致。

图3为本发明的一个实施例的FC/APC光纤连接器和离轴抛物面反射镜装调的结构示意图。ZYGO平面干涉仪用于出射平行光束，形成自准干涉补偿光路，实现相干系统的离轴收发望远镜装调。利用ZYGO干涉仪对FC/APC光纤装调时，需将光纤适配器外表面中心小孔置于上述装调过程中离轴抛物面反射镜的焦点位置。如图3所示，利用贴有平面反射玻璃的FC/APC光纤适配器补偿光程。FC/APC光纤适配器固定在通过螺纹调节前后方向的机械装置上，光纤适配器的上下和左右方向事先紧固。装调时需要从FC/APC光纤端面出射激光，调整光纤适配器的固定螺纹，使得ZYGO干涉仪出射的激光和光纤出射激光从光纤适配器外表面入射至离轴抛物面反射镜，再准直至ZYGO干涉仪。根据ZYGO干涉仪显示的图像观察这两束激光的强度和位置关系，微调光纤适配器前后位置直至ZYGO干涉仪显示这两束激光强度最大且位置同心。这时离轴反射镜焦点已经会聚至光纤适配器外表面中心小孔位置，实现了确定焦点位置的要求，至此对整个离轴收发望远镜系统装调完成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。