一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统的制作方法

本发明属于光纤特性测量领域，具体为一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统。

背景技术：

光纤出射焦比对于光纤天文光谱测量至关重要。现今望远镜系统朝着大口径、大视场的方向发展，口径越大，探测的宇宙空间就越深，观测到的天体也就越多。在早期的天文观测中，望远镜一次只能观测一个目标天体光谱，自从80年代光纤应用到望远镜系统后，可以同时观测多个目标的多目标光谱观测技术使得观测效率大大提高。一般多目标光谱观测主要是获得目标的一维光谱信息，而光纤利用到积分视场单元(ifu)技术中，可以获得三维光谱，即同时获得目标的两维位置信息和一维光谱信息。光纤成为一种重要的光传输介质，对望远镜的观测具有十分关键的作用。来自于星空的光非常薄弱，星光聚焦到望远镜的焦平面上，然后耦合进到光纤再传输到光谱仪或其他光学系统中。有效引导星光进入光谱天文望远镜的光纤中，提高光的利用率对光谱分析有非常重要的意义。在望远镜系统中，光纤数量可以达到几百甚至几千根的量级，因此光纤的传输特性和各项参数都对整个望远镜系统有重要影响。衡量光纤传光质量最重要的因素有两个：一个是光纤的光谱透过率，还有一个就是光纤的焦比退化特性。

光纤光谱透过率直接影响光纤的传输效率，天文观测中的波段范围覆盖广，因此需要光纤能满足在宽波段的广谱高传输率。除了光纤本身的透过率，光纤入射耦合与光纤出射能量的利用也会影响到传输效率。天文中对光纤入射光和出射光的描述引入了焦比的概念。对于一个理想凸透镜而言，当平行光平行于主光轴入射，出射光汇聚到焦点，此时出射光的焦比f定义为透镜的焦距f与透镜的口径d的比值：

f/#＝f/d

在光纤中，定义光纤出射端的焦比为光纤端与接收面的距离和接收面上光斑直径的比值。

f/#＝l/d

理想状态的直光纤，以一定张角入射的光，会以相同的张角出射，即入射焦比和出射焦比相同。而实际光纤出射光因为光纤的弯曲、受力、工艺缺陷等导致的出射张角会比入射光的张角大，即在距光纤端面相同距离位置处，出射光斑的直径会比入射光斑大，那么出射焦比要比入射焦比小，这种效应称为焦比退化(focalratiodegradation,frd)。光纤焦比退化对天文望远镜的主要影响可以分为两部分，一部分是能量利用率的降低，另一部分是望远镜系统的设计难度和成本的增加。由于焦比退化表现为增大光纤出射光斑的直径，这使得光斑更发散，降低能量密度的分布，在相同口径的条件下，能收集到的光能量会进一步降低，同时由于天光本身很微弱，焦比退化会进一步降低利用率。另一方面，焦比退化会增大出射光的发散角，使得后端光谱仪的设计以及成像系统设计的难度和成本增加。对光纤的焦比退化特性进行研究有助于改进设计光谱分析系统。

光纤入射焦比的确定比较方便，可以直接利用入射端孔径光阑距离光纤入射端距离和孔径光阑直径之比来确定。而光纤出射端的出射焦比测量相对比较复杂，因为出射光类似于高斯分布，光斑没有严格的边界，因此如何确定光斑大小也是一项重要工作。从实际出发，对于出射光的能量利用主要集中在能量密度较大的区域，因此在实验中或者望远镜的设计中也主要考虑出射光斑能有效利用的光斑大小。目前国内外惯例是采用能量占比(encircledenergy，即以光斑能量质心为圆心，以一定半径的圆内所包含的能量占光斑总能量的比值。如圆内能量占光斑总能量90％，则为ee90，以此类推)来测量光纤出射焦比。通常选取ee90或ee95，既可以比较逼近的计算出射光斑的实际光斑大小，而且还能有效降低测量系统暗电流和噪声的影响。

目前国内外测试焦比的方法主要是通过ccd拍摄光斑，然后对光斑进行高斯拟合，利用不同比例的ee来计算出射光斑直径，进而获得光纤的出射焦比。根据入射条件的不同，焦比测量方法主要分为两种。一是采用光锥入射，光纤出射光斑是一个类高斯的光锥，在距离光纤出射端一定距离作为焦距的位置拍摄出射光斑，然后计算一定比例ee下的光斑直径，再计算焦距和直径的比值得到出射焦比(gerardoavila,paulsingh,majaalbertsen.photometricalscramblinggainandfocalratiodegradationinfibersforastronomicalinstruments.proc.ofspievol.626962695o-1,2006.或者jeremyd.murphy,phillipj.macqueen,garyj.hill,frankgrupp,andreaskelz,povilaspalunas,martinroth,alexanderfry.focalratiodegradationandtransmissioninvirus-popticalfibers.proc.ofspievol.701870182t-1,2008.)。二是采用环形斑入射或者采用准直光以一定倾角入射，以此代替某一确定入射焦比的光线，光纤出射为环形斑，环形斑的直径计算一般采用fwhm的扩展来表示光环相对于入射光倾角的变化，或者转化为光环的直径来计算出射焦比(danielfinstad,edwardwishnow,clairepoppett,martinsirk,jerryedelstein,stevegibson,geoffmarcy,andandrewhoward.collimatedfocalratiodegradationtestingforhighlymultiplexedfibersystems-animprovementtoastandardtest.appliedoptics,vol.55,no.25,2016.或者dionnem.haynes,michaelj.withford,judithm.dawes,rogerhaynes,jossbland-hawthorn.focalratiodegradation:anewperspective.proc.ofspievol.701870182u-1,2008.)。

以上的方法有一定的局限性，比如计算光斑大小的方法如何选取以及拍摄光斑的采样数量和光斑采样点的焦距测量等对结果的精度有很大影响，一般情况下，准确测量ccd像面距光纤出射端的距离是很困难的。另外，当采样点的焦距量程比较短时，测量结果的误差也会增加。当采用激光入射时，由于光纤出射斑存在激光散斑，ccd拍摄的光斑图衬比度高，在计算不同比例ee能量所确定的直径时也会因为散斑的剧烈涨落而产生误差。同时，光源稳定性也是一个误差源，ccd在拍摄不同的光斑时，光源的波动会让光斑的能量分布产生变化，再直接利用拍摄的光斑计算直径也会产生误差。

此外，这些方法的处理方法慢，光强补偿难，不利于快速测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，设定光纤出射焦比对应的能量占比，然后测量光纤出射总能量，再利用光阑限制透射光强，使光阑透射光强与光纤出射总光强之比为特定能量占比；沿光纤出射光轴移动光阑位置，并对应改变光阑孔径，将光阑孔径和位置进行线性拟合，直线的斜率即为设定能量占比的光纤出射焦比。

在光出射的光路中插入分光镜，得到参考光束和被测光束，测量参考光束的光强作为参考值，测量被测光束的总光强作为测量用总光强，测量时光阑透射光强与测量用总光强之比为设定能量占比，参考光强用来修正光纤出射总光强波动带来的测量误差。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，不用计算机图像处理的方法对光斑大小尺寸进行拟合，也不用测量ccd与光纤出射端的距离，直接利用能量法，通过控制光阑孔径和位置，获得任意设定能量占比的光纤出射焦比。

本发明的一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，光纤出射端加入分光镜将出射端的出射光分成两束，实现对光源能量波动的补偿，克服了光源的不稳定性和常规方法测量不同时带来的测量误差。

本发明的一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，既可以测量独立单根光纤的出射焦比，又可以测量微透镜阵列加光纤束制成的ifu中单根光纤焦比。

本发明的一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，操作简单，方便快捷，且易于实现，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明工作系统光路示意图。

图2为本发明工作系统测量光纤出射焦比流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明：

一种利用能量法快速测量光纤出射焦比的系统，首先设定光纤出射焦比对应的能量占比(encircledenergy，即以光斑能量质心为圆心，以一定半径的圆内所包含的能量占光斑总能量的比值。如圆内能量占光斑总能量90％，则为ee90，以此类推)，然后测量光纤出射总能量，再利用光阑限制透射光强，使光阑透射光强与光纤出射总光强之比为特定能量占比。沿光纤出射光轴移动光阑位置，并对应改变光阑孔径，将光阑孔径和位置进行线性拟合，直线的斜率即为设定能量占比的光纤出射焦比。

在光纤出射光路中插入分光镜，得到参考光束和被测光束。测量参考光束的光强作为参考值，测量被测光束的总光强作为测量用总光强，测量时光阑透射光强与测量用总光强之比为设定能量占比。参考光强用来修正光纤出射总光强波动带来的测量误差。

利用电动光阑来控制和读取光阑直径，可以用电动平移台来控制和读取光阑位置，在提高测量速度的同时减少测量误差。

首先设定光纤出射焦比对应的能量占比(encircledenergy，即以光斑能量质心为圆心，以一定半径的圆内所包含的能量占光斑总能量的比值。如圆内能量占光斑总能量90％，则为ee90，以此类推)，然后测量光纤出射总能量，再利用光阑限制透射光强，使光阑透射光强与光纤出射总光强之比为特定能量占比。沿光纤出射光轴移动光阑位置，并对应改变光阑孔径，将光阑孔径和位置进行线性拟合，直线的斜率即为设定能量占比的光纤出射焦比。

为了补偿光强的波动，在光纤出射光路中插入分光镜，得到参考光束和被测光束。测量参考光束的光强作为参考值，测量被测光束的总光强作为测量用总光强，测量时光阑透射光强与测量用总光强之比为设定能量占比。参考光强用来修正光纤出射总光强波动带来的测量误差。

利用电动光阑和电动平移台可以在提高测量速度的同时减少测量误差。

本发明所用的技术方案是：在光纤出射端放置一个分光镜将出射光斑分成两束，分别用两个光电探测器实时探测两束光的能量。反射光用于补偿光源波动，透射光沿光纤出射光轴放置一个光阑，移动光阑位置，通过控制光阑孔径和位置测量出光纤在不同能量比值下的出射焦比，将光阑位置与光阑直径进行线性拟合，拟合直线的斜率即出射焦比。可以利用电动光阑来控制和读取光阑直径，可以用电动平移台来控制和读取光阑位置。

图1为本发明工作系统光路示意图。其中1为被测光纤，2为微位移台及光纤夹具，3为分光镜，4、7为透镜，5、8为光电探测器，6为可调光阑，9为数据处理平台。被测光纤1的出射端被放置在微位移台上的光纤夹具2中，光纤出射的光经过分光镜3分成两束，分别为透射光和反射光，透射光经过可变光阑6和透镜7，反射光经过透镜4，之后两束光分别被光电探测器5、8接收。光阑6的位置和孔径信息与两个光电探测器5、8的数值都由数据处理平台9(如计算机、微控制器等)进行处理。如果是使用电动光阑和电动平移台，则数据处理中心可以输出控制信号。

图2为本发明工作系统测量光纤出射焦比流程图。首先测量不加光阑6时，光电探测器8所接收的总光强i0和此时光电探测器5所收到的参考光强ir，得到二者的比值k＝i0/ir，这个数值只与分光镜的光强比有关，与光纤出射光强无关。设定一个能力占比值，如ee90，加入光阑6，控制光阑孔径使光阑透射光强it与总光强i0之比为设定能量占比，如90％。移动光阑位置，重新控制光阑孔径，满足it＝i0·ee＝kir·ee。将光阑位置与光阑孔径进行线性拟合，其斜率即为光纤出射焦比。