一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法

1.本发明属于光学检测技术领域，涉及一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法，装置结构简单，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收发同轴度测量。


背景技术：

2.激光遥感系统是一种主动式的现代光电遥感设备，是传统的无线电或微波雷达向光学频段的延伸。激光以其高空间分辨率、高灵敏度单色性好、全天候等优良特性而备受关注，而且由于所用波长的缩短和方向性的加强，系统的时间、空间分辨率都有了很大的提高。
3.对于激光光学仪器来说，激光收发同轴度是仪器的关键技术指标之一，它能反映出激光的远场光束指向情况。同轴度较好时，收发激光光束有更好的方向性，能够有更大的探测范围。由于发射激光光束发散角接近衍射极限的特性给光学系统的装调和测试带来的一定难度，激光收发同轴度的误差将直接影响系统的可靠性和测量精度，这就要对系统的发射激光光束发散角进行测量，从而确定光学系统是否满足使用要求。本发明所提出的一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法，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。
4.本发明提出的一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法，在平行光管焦面处同时实现信标激光光束的发射和接收信号光束的检测，该发明基于光纤波分复用器的分光功能，利用光纤波分复用器信标光发射光纤接口与信号光接收光纤接口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发射光纤接口发射的信标光后发射信号光，信号光经过平行光管会聚后被信号光接收光纤接口接收，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，通过拟合计算得到信号光束中心点的位置。该发明结构简单，成本低廉、特别适合于测量弱信号光的发散角。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法。该发明基于光纤波分复用器的分光功能，利用光纤波分复用器信标光发射光纤接口与信号光接收光纤接口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，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计算得到信号光束中心点的位置，并计算得到激光收发同轴度。
6.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：
7.所述的光纤收发模块1由信标光发射光纤接口1-1、信号光接收光纤接口 1-2、分光镜1-3及探测器1-3及组成，光纤收发模块1通过分光镜1-3的分光功能，将信号光接收光纤接口1-2端面与信标光发射光纤接口1-1的端面等距离固定于其两侧，信号光接收光纤接口1-2与探测器1-3相连；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，光纤波分复用器的一端处于平行光管2焦面处；信标光发射光纤接口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接口1-2，用探测器1-3探测。
8.所述的光纤收发模块1由信标光发射光纤接口1-1、信号光接收光纤接口 1-2、分光镜1-3及探测器1-3及组成；所述的信标光发射光纤接口1-1的端面与信号光接收光纤接口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接口1-1用于发射跟踪用的信标光，所述的信号光接收光纤接口1-2用于接收信号光，同时信号光接收光纤接口1-2与探测器1-3相连；
9.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。
10.本发明描述了一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法，其特征的方法步骤如下：
11.1)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接口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；
12.2)信号光引入至信号光接收光纤接口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接口1-2，被探测器1-3接收；
13.3)十字扫描法测量同轴度：采用十字扫描法采集信号光远场的分布，首先以跟踪模块3-6中心位置a的跟踪点(x,y)为基准点，上下左右更改跟踪点直至能量都变为零，记录水平和竖直轴的量程，取水平和竖直轴的量程的中间值，记为(x
′
,y
′
)。根据
[0014][0015]
可计算出激光收发同轴度，上式中θ为同轴度，f为平行光管(2)的焦距。
[0016]
本发明的优点在于：
[0017]
1)本发明的扫描装置结构简单、成本低廉。
[0018]
2)本发明采用光纤波分复用器，信标光发射和信号光接收绝对同轴。
[0019]
3)本发明将信号光直接引入至波分复用器内，信号光接收光纤接口可以接不同探测器，可以实现对不同波长、不同强度光束的发散角测量，特别适合于弱信号光发散角的测量。
附图说明
[0020]
图1为本发明装置的示意图。
[0021]
图2为十字扫描路径图。
具体实施方式
[0022]
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：
[0023]
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。
[0024]
2)光纤收发模块1:由波分复用器的信标光发射光纤接口1-1、信号光接收光纤接口1-2及探测器1-3组成。波分复用器thorlabs公司的型号为 wd9850fb的光纤，其主要性能参数：工作波段为980nm/1550nm；探测器1-3 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。
[0025]
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980nm信标光，1550nm反射效率优于98％，980nm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；
[0026]
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；
[0027]
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
[0028]
1)对准平行光管2与激光跟踪收发系统3：打开980nm信标光激光器，接到信标光发射光纤接口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980nm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；
[0029]
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的信号光接收光纤接口1-2耦合进光纤，接收能量由探测器1-3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；
[0030]
3)十字扫描法测量同轴度：采用十字扫描法采集信号光远场的分布，首先以跟踪模块3-6中心位置a的跟踪点(x,y)为基准点，上下左右更改跟踪点直至能量都变为零，记录水平和竖直轴的量程，取水平和竖直轴的量程的中间值，记为b，坐标为(x
′
,y
′
)。根据
[0031][0032]
可计算出激光收发同轴度，上式中θ为同轴度，f为平行光管(2)的焦距。