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应用于空间精密测量的全玻璃光纤耦合器的系统设计

赵亚 姚东 王智 方超 李钰鹏

赵亚, 姚东, 王智, 方超, 李钰鹏. 应用于空间精密测量的全玻璃光纤耦合器的系统设计[J]. 中国光学, 2019, 12(3): 432-440. doi: 10.3788/CO.20191203.0432
引用本文: 赵亚, 姚东, 王智, 方超, 李钰鹏. 应用于空间精密测量的全玻璃光纤耦合器的系统设计[J]. 中国光学, 2019, 12(3): 432-440. doi: 10.3788/CO.20191203.0432
ZHAO Ya, YAO Dong, WANG Zhi, FANG Chao, LI Yu-peng. System design of all glass fiber couplers for precise space measurement[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 432-440. doi: 10.3788/CO.20191203.0432
Citation: ZHAO Ya, YAO Dong, WANG Zhi, FANG Chao, LI Yu-peng. System design of all glass fiber couplers for precise space measurement[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 432-440. doi: 10.3788/CO.20191203.0432

应用于空间精密测量的全玻璃光纤耦合器的系统设计

doi: 10.3788/CO.20191203.0432
基金项目: 

中科院战略性先导科技专项(B) XDB23030000

详细信息
    作者简介:

    赵亚(1993-), 男, 新疆图木舒克人, 硕士研究生, 2012年于东北大学获得学士学位, 主要从事光机设计以及干涉测量方面的研究。E-mail:zhaoya16@mails.ucas.ac.cn

    王智(1978-), 男, 山东寿光人, 博士, 研究员, 中科院青年创新促进会会员, 2003年于长春理工大学获得硕士学位, 2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位, 2016年12月~2017年12月, 德国马克斯普朗克引力物理研究所(爱因斯坦研究所)做访问学者, 主要从事空间引力波探测领域的研究。E-mail:wz070611@126.com

  • 中图分类号: TB133;TB121

System design of all glass fiber couplers for precise space measurement

Funds: 

the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences XDB23030000

More Information
  • 摘要: 本文提出了一种全玻璃材料的光纤耦合器以实现高精度,高稳定的干涉测量。首先,介绍了干涉测量系统的工作原理以及光纤耦合器的系统设计,然后通过理论分析选取了非球面透镜,并根据具体的透镜参数进行了数值分析以及软件分析。接着进行了光束参数匹配度以及光束矢量匹配度的容差分析以及结构的热分析。最后结合理论分析以及精密的装调手段完成了光纤耦合器的制作。实验结果表明:光斑尺寸相对于仿真结果的误差约为3.4%,两光斑尺寸差异为0.9%,偏心距离低于40 μm,夹角约为60 μrad,基本满足干涉测量系统的使用要求。
  • 图  1  干涉仪样机原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of interferometer prototype

    图  2  光纤耦合器CAD图

    Figure  2.  CAD drawing of fiber optic coupler

    图  3  高斯光束经过透镜转换示意图

    Figure  3.  Conversion diagram of Gauss beam passing through a len

    图  4  siωi随Δx变化趋势图

    Figure  4.  Trend diagram of si, ωi with the change of Δx

    图  5  探测器上光束的能量与波前

    Figure  5.  Energy and wavefront of beam on the detector

    图  6  光路示意图(a)及16个时刻光强图(b)

    Figure  6.  Schematic diagram of optical path(a) and energy diagrams on detector at 16 moments(b)

    图  7  拍频信号及其信号对比度与Δx关系曲线

    Figure  7.  Related curve of beat signal and signal contrast varying with Δx

    图  8  光束矢量与对比度的关系曲线

    Figure  8.  Relationship between contrast and beam vector

    图  9  20 ℃温度波动下透镜及支撑结构的有限元分析

    Figure  9.  Finite element analysis of a lens and its supporting structure under the condition of 20 ℃ temperature change

    图  10  耦合器的准直装调

    Figure  10.  Collimation and adjustment of coupler

    图  11  两准直光束实测结果

    Figure  11.  Measured results of two collimated beams

    图  12  光束矢量装调过程

    Figure  12.  Adjustment process of beam vector

    表  1  光纤耦合器组成部分及其功能

    Table  1.   Components of fiber optic coupler and their corresponding functions

    序号 部件名称 功能
    1 保偏光纤跳线 发射光束
    2 光纤支座 固定支撑光纤头
    3 非球面透镜 准直光束
    4 透镜U形支座 固定支撑透镜
    5 偏振分束镜 控制出射光的偏振状态
    6 玻璃基板 用来提供部件的安装面并与干涉大基板粘接
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    表  2  透镜名义尺寸参数

    Table  2.   Nominal parameters of lens

    名义尺寸 参数值
    透镜厚度/mm 5.258
    透镜口径/mm 5
    1 064 nm波长下折射率 1.592
    1 064 nm波长下焦距 6.294
    前表面 后表面
    曲率半径/mm -14.45 4.33
    2次系数 -105.23 -0.846 9
    四次非球面系数 -1.059 4×10-3 0.521 51×10-3
    六次非球面系数 76.926×10-6 -6.876 6×10-6
    面型 RMS≤0.087, PV≤0.270
    工作距离/mm 3.397
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-04
  • 修回日期:  2018-08-25
  • 刊出日期:  2019-06-01

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