一种应用于引力波探测的全玻璃光纤准直器

本发明涉及引力波测量、光学设计、干涉测量等领域，特别涉及一种应用于引力波探测的全玻璃光纤准直器。

背景技术：

1、由于地面引力波探测受到地球曲率半径、引力梯度噪声、地震、海啸等的影响，同时引力波的波源十分有限，导致地面引力波探测受到约束。为了摆脱地面引力波探测的各种限制，同时获得更多的引力波探测源，人们开始着手发展太空引力波探测。

2、在太空探测引力波时，需要使用到星间激光干涉测量光学系统。激光干涉测量光学系统的光学部分主要由引力波望远镜和激光干涉平台两部分组成。从激光器中产生的高斯光束，从光纤中出射后，无法直接被全玻璃激光干涉平台使用。为了保证从激光器的光纤中发出的光束能够满足全玻璃激光干涉仪的使用要求，需要根据实际情况设计制造全玻璃光纤准直器fios。

3、由于要设计制造满足实际使用要求的光纤准直器，所涉及的领域包括引力波探测领域、光通信技术领域、光学设计领域以及光学装调领域等。

4、要想在太空中探测到引力波，需要使用星间激光干涉测量光学系统，要保证星间激光干涉测量光学系统能够实现皮米量级的测量精度，必须严格要求光学系统的光程稳定性。

5、全玻璃激光干涉仪中使用到光纤准直器，由于全玻璃光纤准直器与全玻璃激光干涉仪基板紧密粘接在一起，并且是激光干涉光路的重要组成部分，所以对光纤准直器的稳定性也有很高要求。

6、由于微晶玻璃具有较好的低膨胀性，所以使用微晶材料制造全玻璃光纤准直器fios。

7、通常情况下，光纤中的高斯光束经过准直透镜后，通常只针对一处特定的接收端工作，所以只针对某一个特定的工作距离设计准直器光学系统。而在全玻璃激光干涉仪中，全玻璃光纤准直器fios同时有10个不同的工作距离。

8、由于全玻璃激光干涉仪内部包含参考干涉光路，测试质量干涉光路以及科学干涉光路。对于测试质量干涉光路，第一个fios(图片中的fiosⅰ)从准直镜片最后一面非球面发射光束后，经过一系列分光与合束后，分别入射到两个光电探测器上，与之对应的光束路径长度为1100mm和1145mm。第二个fios(图片中的fiosⅱ)从准直镜片最后一面非球面发射光束后，经过一系列分光与合束后，分别入射到两个光电探测器上，与之对应的路径长度为480mm和525mm，如图1所示。

9、对于科学干涉仪，仅使用到了第一个fios发射出的光束，该路fios发射出的光束经过一系列分光或者合束，分别入射到两个光电探测器上，两个光电探测器上对应的两路光束的路径长度分别为550mm和520mm，如图2所示。

10、对于参考干涉仪光路，第一个fios从准直镜片最后一面发射光束后，经过一系列分光与合束后，分别入射到两个光电探测器上，与之对应的光束路径长度为510mm和540mm。如图3所示，第二个fios从准直镜片最后一面发射光束后，经过一系列分光与合束后，分别入射到两个光电探测器上，与之对应的路径长度为485mm和515mm。

11、每一路干涉仪都使用到了光纤准直器发射出的高斯光束，所以全玻璃光纤准直器fios必须满足在多个不同工作距离下，都能够实现光学干涉条件。

12、由于使用到的光电探测器的有效工作区域直径为1.2mm，所以要求高斯光束的有效直径不超过1.2mm，保证高斯光束直径内的光斑全部照射到光电探测器上。

13、光纤准直器fios的瑞丽距离必须足够长，并且束腰位置适当，才能满足使多个工作距离都处于激光准直器fios的瑞丽距离范围内。同时，激光准直器fios不同于金属结构，所以需要考虑加工可实现性及装调便利性。

14、对于全玻璃光纤准直器fios，国外设计的成品如图4、图5所示，应用于lisapathfinder激光干涉仪中。

15、装调方法具体为：图4、图5中的全玻璃光纤准直器fios的工作距离为765.41mm和406.58mm。制造上述全玻璃光纤准直器fios时，由于非球面透镜与陶瓷插芯端面之间可能存在不等高的现象，所以需要反复研磨非曲面透镜玻璃支座或者方形玻璃支撑块，以使非球面透镜的光轴与陶瓷插芯的中心轴线等高。然后还需要调整准直透镜距离陶瓷插芯端面的距离，来控制系统光束能量的分布；此外，还要调整非球面透镜的俯仰角和偏摆角，使全玻璃光纤准直器fios满足最终的指标要求，装调过程中，需要调整的变量非常多，并且难于控制。

16、国内设计的全玻璃光纤准直器fios的实物图，如图6所示。该套全玻璃光纤准直器fios使用非球面透镜、两个梯形玻璃块、钛合金消应力块和尾纤保护套组成，比国外设计的全玻璃光纤准直器fios简化，但是在装调方式上存在重大缺陷：1、光纤陶瓷插芯与非球面透镜的中心对准问题；2、非球面透镜的调焦问题。

17、图7为该套系统的模型图。调焦方式采用改变两个梯形小玻璃块的相对位置，使透镜与陶瓷插芯端面距离发生变化，进而装调出满足指标要求的fios。图7中所示的是调整非球面透镜，使其更靠近陶瓷插芯方向。向正上方移动梯形小玻璃块，同时向正下方移动非球面透镜，使透镜更靠近陶瓷插芯。但是此种装调方式需要先安装非球面透镜，非球面透镜与陶瓷插芯中心对准后，才能测量fios的光学特性。当光学特性不合格时，需要重新调整两个梯形块的位移，使非球面透镜重新与陶瓷插芯端面的距离发生变化，但是移动梯形块的同时，会使非球面透镜的轴心与陶瓷插芯的中心发生偏移，需要重新调整陶瓷插芯与非球面透镜的共轴情况。所以非球面透镜在梯形块处不能有限位。正因如此，非曲面透镜的轴心很难对准陶瓷插芯的中心。两个梯形块之间也没有限位装置，所以移动梯形块的过程中，位置不好控制。同时，在点胶固化过程中，由于所有组成器件都没有限位，很难保持两个梯形块、梯形块与非球面透镜之间相对位置稳定不变，这大大增加了装调fios的难度，降低了装调的成功率。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种应用于引力波探测的全玻璃光纤准直器。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、一种应用于引力波探测的全玻璃光纤准直器，包括在由左至右的光路方向上依次设置有：尾纤保护套，钛合金消应力块，玻璃结构件以及非球面透镜；所述尾纤保护套，所述钛合金消应力块和所述玻璃结构件的中心分别为镂空结构，以使光线通过；

4、所述钛合金消应力块和所述玻璃结构件通过陶瓷插芯插接在一起；

5、所述玻璃结构件的右端设有透镜限位端面；所述非球面透镜左侧面与所述透镜限位端面相接触；所述非球面透镜的右侧面的中心为坐标原点；

6、所述陶瓷插芯通过调整插入所述玻璃结构件的深度，调整其与所述非球面透镜的左侧面的距离，以完成全玻璃光纤准直器的调焦。

7、在上述技术方案中，所述玻璃结构件的底面为平面。

8、在上述技术方案中，所述钛合金消应力块上设有限制所述尾纤保护套插入位置的突起。

9、在上述技术方案中，所述玻璃结构件右端安装所述非球面透镜处的孔与其左端的安装所述陶瓷插芯的孔共轴。

10、本发明具有以下有益效果：

11、本发明的应用于引力波探测的全玻璃光纤准直器，在星间激光干涉测量系统中，能够同时满足多个不同工作距离，并且高斯光束的有效光斑直径完全小于光电探测器直径。高斯光束在各个不同工作距离处的波前差均满足相干光束的干涉条件，有干涉现象产生。