一种跟踪扫描式的激光发散角测量装置及方法

1.本发明属于光学检测技术领域，涉及一种跟踪扫描式的激光发散角测量装置及方法，装置结构简单，操作简单，特别适用于具备跟踪指向功能的激光发射系统中能量极弱的激光发散角测量。


背景技术：

2.激光技术不断普及和应用，对激光光束质量测量提出了越来越高的要求。其中激光发散角是重要指标，它能反映出激光的远场光束分布情况。小的发散角能够更有效的利用激光能量，使光束有更好的方向性；大的发散角能够迅速扩展光束的覆盖面积，达到宽域探测和指向的作用。因此发散角的测量方法有重要意义。随着卫星光通信技术的不断发展，激光用来通信的优势越来越明显。不仅抗干扰性强和体积小巧等优势，而且随着量子通信的发现，激光使得通信的安全性极大提高。本发明所提出的一种具备跟踪扫描功能的激光发散角测量的装置及方法，能够适用于卫星激光通信、量子通信、星地光通信等通信领域，以及激光雷达、激光测距等激光领域。
3.目前行业测发散角的方法有许多，包括bbo晶体倍频法、焦点刀口法、基于薄膜干涉原理的平行平晶法、狭缝扫描法和ccd测量焦面光斑等，其中刀口法测量激光发散角时可以不受激光能量的限制，但是测量精度有待提高；狭缝扫描的测量结果也有较大误差；平行平晶法测量发散角虽然精度高但是设备价格昂贵，不利于批量检测提高效率；采用平行光管与ccd相机组合是目前比较常规的激光远场发散角测量方法，通过测量焦面激光光束的光斑大小，通过焦面光斑分布计算出远场发散角，该方法测量精度高，该方法的缺点在于测量信号光的动态范围有限，需要控制激光发射能量在一定范围内，能量过大会导致光电探测器饱和，可以通过增加衰减来解决；能量过小会导致光电探测器无法相应，此时无法测量。
4.本发明提出的一种跟踪扫描式的激光发散角测量装置及方法，可以有效解决无法利用ccd测量能量过低的信号光发散角问题，该发明基于分光镜(beam splitter)的分光功能，将信标光发射光纤与信号光接收光纤等距离的固定到分光镜(beam splitter)的两侧，组成一个固定收发一体的模块，将收发一体模块放置于平行光管焦面形成检测装置；被测系统具备激光跟踪功能，被测系统跟踪信标光后发射信号光，信号光经过平行光管会聚后被收发模块接收光纤接收，信号比较弱时，可以采用单光子探测器来接收信号光，信号较强时，可以采用功率计来接收信号光。再通过扫描法测量焦面能量分布，通过拟合计算束腰大小来获得发散角。该发明结构简单，成本低廉、特别适合于测量极弱信号光的发散角。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种跟踪扫描式的激光发散角测量装置及方法。该发明基于分光镜(beam splitter)的分光功能，将信标光发射光纤与信号光接收光纤端面等距离的固定到分光镜两侧，组成收发一体的模块，能够做到激光同轴发射和接收；又通过具备跟踪
功能的激光发射系统，做到对上述收发模块信标光的跟踪和信号光的定向发射，并被上述收发模块接收光纤耦合测量信号光功率。最后通过改变跟踪点来完成信号光的全口径扫描，根据扫描的功率拟合信号光的远场高斯光束强度分布。光束束腰定义为把高斯光束强度衰减到中心光强的1/e2时的横向尺寸。通过拟合的高斯光束强度分布计算出束腰大小为d。
6.高斯光束远场发散角定义为光斑半径随传播距离的变化率，公式有：
[0007][0008]
其中θ为激光远场发散角，λ为激光的波长。所以要计算信号光的远场发散角需要得出信号光的束腰大小。
[0009]
由于信号光远场光束无法直接获取，需要借助平行光管2把信号光汇聚在焦面位置，因此扫描直接得出的远场光束的束腰大小并不是信号光本身的束腰大小，而是信号光经过平行光管2汇聚后的束腰大小。因此需要将束腰大小进行换算。根据博伊德和戈登理论，光束经过透镜或反射镜的变换只改变相位不改变强度分布，光束在汇聚后仍保持高斯分布。根据束腰的透镜变换关系式可得公式如下：
[0010][0011]
其中d1是信号光本身的束腰大小，d2是经过平行光管2汇聚后的信号光束腰大小。
[0012]
由光路可逆原理可知，信号光本身的远场束腰大小为：
[0013][0014]
将信号光本身的远场束腰大小带入远场发散角计算公式可得:
[0015][0016]
带入扫描得出的经过平行光管2汇聚的信号光束腰大小d2，与平行光管2的焦距大小f，可得激光发射系统出射的信号光远场发散角。
[0017]
本发明方法的装置如附图1所示：由光纤收发模块1、平行光管2、被测激光跟踪系统3组成，其光路特征在于：
[0018]
所述的光纤收发模块1由信标光发射光纤1-1、信号光接收光纤1-2、分光镜1-3、探测器1-4及信号光窄带滤光片1-5组成，光纤收发模块1通过分光镜1-3的分光功能，将信号光接收光纤1-2端面与信标光发射光纤1-1的端面等距离固定于其两侧，信号光接收光纤1-2与探测器1-4相连，信号光窄带滤光片1-5位于信号光接收光纤1-2前；所述的平行光管2由主镜2-1及折转镜2-2组成；光纤收发模块1与平行光管2组合成检测系统，光纤收发模块1处于平行光管2焦面位置，信标光发射光纤1-1与信号光接收光纤1-2的端面处于平行光管2焦面处；信标光发射光纤1-1发射信标光，经过平行光管2后进入被测激光跟踪系统3内，依次经过抛物面主镜3-2、抛物面次镜3-1、压电反射镜3-3、分光片3-4，最后被跟踪相机3-6捕获跟踪；被测激光跟踪系统3通过激光发射准直器3-5发射信号光，依次经过光路后被汇聚在
平行光管2焦面位置，同时耦合进入信号光接收光纤1-2，用探测器1-4探测。
[0019]
所述的光纤收发模块1由信标光发射光纤1-1、信号光接收光纤1-2、分光镜1-3、探测器1-4及信号光窄带滤光片1-5组成；所述的信标光发射光纤1-1的端面与信号光接收光纤1-2的端面等距离固定于分光镜1-3的两侧，所述的分光镜1-3对使用波长的分光比介于4：6与6：4之间，通光面面形偏差rms值小于λ/20@632.8nm；所述的信标光发射光纤1-1与所述的信号光接收光纤1-2均处于平行光管2的焦面处；所述的信标光发射光纤1-1用于发射跟踪用的信标光，所述的信号光接收光纤1-2用于接收信号光，同时信号光接收光纤1-2与探测器1-4相连，信号光窄带滤光片1-5位于信号光接收光纤1-2前，用于消除背景光；
[0020]
所述的平行光管2为常规的平行光管，由主镜2-1和次镜2-2组成，面形偏差rms值小于λ/15@632.8nm；所述的被测激光跟踪系统3由抛物面主镜3-2、抛物面次镜3-1、压电反射镜3-3、分光片3-4、激光发射准直器3-5及跟踪相机3-6组成；所述的抛物面主镜3-2、抛物面次镜3-1面形偏差rms值小于λ/40@632.8nm，镀膜波段与激光波长相匹配；所述的压电反射镜3-3与跟踪相机3-6可以进行闭环，可以通过改变跟踪相机3-6的跟踪点来控制压电反射镜3-3；所述的分光片3-4能够将信标光和信号光进行分离；所述的激光发射准直器3-5能够发射准直的信号光。
[0021]
本发明描述了一种跟踪扫描式的激光发散角测量装置及方法，其特征在于方法步骤如下：
[0022]
1)平行光管2与被测激光跟踪系统3的对准：首先将信标光引入至信标光发射光纤1-1，经光纤收发模块1和平行光管2准直后产生平行光束，平行的信号光进入被测激光跟踪系统3。调整被测激光跟踪系统3的方位、俯仰方向，使得信标光入射到跟踪相机3-6中，然后开启跟踪；
[0023]
2)信号光引入至信号光接收光纤1-2：信号光经过激光发射准直器3-5准直，经被测激光跟踪系统3发射，信号光经过平行光管2后汇聚于焦面位置，最终进入信号光接收光纤1-2，被探测器1-4接收；
[0024]
3)十字扫描法找到信号最大位置：以跟踪相机3-6的跟踪点(x,y)为初始点，采用十字扫描法，扫描路径和点如图2，依次更改水平轴和竖直轴的跟踪点，记录探测器1-4的接收信号。首先增加水平轴的跟踪点，直到探测器1-4显示的能量为零，记录此时水平方向跟踪点；减小水平轴的跟踪点，直到探测器1-4显示的能量再次为零，再次记录此时水平方向跟踪点；将水平轴的跟踪点定位到两个水平跟踪点的中心位置，此时水平轴的跟踪点为x0。同样的方法，定位竖直轴的跟踪点y0。则跟踪点b(x0，y0)对应信号光远场分布的能量最大值；
[0025]
4)回字扫描法测量发散角：采用回字扫描法采集信号光远场的分布，扫描路径如图3。首先以跟踪点b(x0，y0)为基准点，上下左右更改跟踪点直至能量变为零，记录水平和竖直轴的量程，分别为0-x
max
和0-y
max
。然后按照扫描路径步进，记录每个点的能量值，然后拟合成信号光远场能量分布。根据高斯光束的1/e2法，计算出信号光的光束直径d。根据
[0026][0027]
可计算出信号光的发散角，上式中θ为发散角，f为平行光管2的焦距。
[0028]
本发明的优点在于：
[0029]
1)本发明的扫描装置结构简单、成本低廉。
[0030]
2)本发明的可以采用单模光纤来接收信号光，测量分辨率高。
[0031]
3)本发明将信号光直接引入至光纤内，光纤可以接不同探测器，可以实现对不同波长、不同强度光束的发散角测量，特别适合于极弱信号光发散角的测量。
附图说明
[0032]
图1为本发明的示意图。
[0033]
图2为十字扫描路径图。
[0034]
图3为回字扫描路径图。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。本发明中所采用的主要器件描述如下：
[0036]
1)平行光管2：采用普通加工的反射式平行光管，口径为400mm，焦距为4m，系统面型要求rms优于1/20λ@632.8nm，平行光管镀al膜。
[0037]
2)光纤收发模块1:由信标光发射光纤1-1、信号光接收光纤1-2、分光镜1-3、探测器1-4及信号光窄带滤光片1-5组成。分光镜1-3采用thorlabs公司带结构的型号为bs017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm，分光比为50：50，通光口径为20mm；信标光发射光纤1-1以单模光纤输出，光纤采用thorlabs公司型号为sm600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-900nm，光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125
±
1um，截至波长为550
±
50nm,光纤激光器采用thorlabs公司型号为lps-pm635-fc的激光二极管，其主要性能参数：激光波长为635nm，光功率可调范围1uw-10mw；信号光接收光纤1-2以单模接收，光纤采用thorlabs公司型号为1060xp的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为980-1550nm，光纤模场直径为9um@1550nm，包层芯径125
±
1um；探测器1-4使用thorlabs公司的产品，型号为s122c，其主要性能参数：工作波段700-1800nm；功率测试范围为50nw-40mw；探头为ge探测器；信号光窄带滤光片1-5订制，性能为：中心波长1550nm，峰值带宽透过率90％以上，半高宽20nm，顶宽10nm截止宽度900-1600nm截止深度od4。
[0038]
3)激光跟踪收发系统3：由抛物面主镜3-2、抛物面次镜3-1、压电反射镜3-3、分光片3-4、激光发射准直器3-5和跟踪模块3-6组成。抛物面主镜3-2、抛物面次镜3-1面形偏差rms值小于λ/10@632.8nm，镀银膜反射膜；压电反射镜3-3使用newport公司的两轴音圈电机，型号为fsm-320fast；其主要性能参数：工作波段为650-1700nm时，平均反射率大于96％，角度分辨率rms值≤1μrad,角度变化范围：
±
1.5
°
；分光片3-4自行设计，反射1550nm信号光、透射635nm信标光，1550nm反射效率优于98％，635nm透射效率优于97％；激光发射准直器3-5使用非球面透镜，采用thorlabs公司的产品，型号为al50100。口径为30mm，焦距为100mm；跟踪模块3-6由跟踪相机及处理电路组成，处理电路控制压电反射镜3-3的反射角度变化，从而保证发射端和接收端光轴对准；
[0039]
4)信号光激光器：采用自研的产品，其主要性能参数：波长1550nm，连续光，能量稳定性《5％,激光发散角《1mrad；
[0040]
具体实施方式中，本发明装置的示意图如图1所示，具体步骤如下
[0041]
1)对准平行光管2与激光跟踪收发系统3：打开635nm信标光激光器，接到信标光发射光纤1-1，经光纤收发模块1和平行光管2发射，进入激光跟踪收发系统3。调整激光跟踪收发系统3的空间位置用来接收635nm信标光，开启压电反射镜3-3，引导信标光入射到跟踪模块3-6的相机中心位置a，然后开启控制电路，输入跟踪点控制压电反射镜3-3的姿态，对信标光进行跟踪闭环。此时光纤收发模块1经过平行光管2的发射光轴与激光跟踪收发系统3对准；
[0042]
2)打开1550nm信号光激光器，接入激光发射准直器3-5，经由激光跟踪收发系统3发射，由于此时光纤收发模块1经过平行光管2与激光跟踪收发系统3对准，1550nm信号光汇聚在平行光管2的焦面位置，并被焦面位置的光纤收发模块1的信号光接收光纤1-2耦合进光纤，接收能量由探测器1-4实时显示。观察能量大小，适当调整1550nm信号光激光器使得能量适中，之后固定1550nm激光器的出射能量不变；
[0043]
3)采用十字扫描法，找到平行光管焦面位置的信号光光斑能量分布的最大值点。扫描路径和点如图2。具体为以跟踪模块3-6中心位置a的跟踪点(x,y)为初始点，采用控制变量法，依次更改水平轴和竖直轴的跟踪点，记录探测器1-4显示的能量值。首先增加水平轴的跟踪点，直到探测器1-4显示的能量为零。然后减小水平轴的跟踪点，直到功率计1-4显示的能量再次为零。然后将水平轴的跟踪点定位到水平路径上的能量值最大处，此时水平轴的跟踪点为x0。同样的方法，定位竖直轴能量最大值的跟踪点y0。则跟踪点b(x0，y0)对应信号光远场分布的能量最大值；
[0044]
4)采用回字扫描法，采集信号光远场的能量分布，扫描路径和点如图3。具体为，首先以跟踪点b(x0，y0)为基准点，上下左右更改跟踪模块3-6跟踪点直至能量变为零，记录水平和竖直轴的量程，分别为0-x
max
和0-y
max
。然后按照如图3的扫描路径步进，记录每个点的能量值，然后拟合成信号光远场能量分布。根据高斯光束的1/e2法，计算出信号光的光束直径d。根据
[0045][0046]
计算出信号光的发散角，上式中θ为发散角，f为平行光管2的焦距。