CN108445642A - 基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置，涉及精密测量和惯性导航领域。本装置放置在光学平台上，光源、合束模块和第1反射镜依次排列；转台通过其支脚固定在光学平台上；第1反射镜固定在光学平台上且位于转台的底面下方的中间位置；第2反射镜固定在转台的台面上方的中间位置；第2反射镜和分光模块前后排列，分光模块放置在转台的台面的上方；所述的第1、2光学滤波器选用法布里‑珀罗干涉仪。本装置结构简单，稳定性高，易于实现，可应用于激光陀螺仪的高精度检测，激光干涉仪和原子干涉仪的惯性测量、基本物理常数测定以及狭义相对论的高精度验证等领域。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量和惯性导航领域，尤其涉及一种基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置，可广泛应用于激光陀螺仪的高精度检测，激光干涉仪和原子干涉仪的惯性测量、基本物理常数测定以及狭义相对论的高精度验证等需要多台激光器和转台的系统中。
背景技术
在采用高稳定激光的精密测量研究和技术应用中，比如洛伦兹对称性检验、地球的转动监测等精密测量研究中，激光器和转台都是实验系统所必须的。随着精密测量技术的发展，对激光器和转台的性能指标要求越来越高，不可避免地需要考虑多路激光上转台及其指向稳定性的问题。
激光器相对于转台的位置分为两类：激光器置于转台上和激光器置于转台下。目前，通常把激光器置于转台上。这样的好处在于光源和光学系统构成一个整体，不容易受到转台调制的影响。但是，这种方式对激光器和转台的稳定性提出了更高的要求，而且势必会增加转台上光、机、电系统的复杂性。另外一种方式是将激光器置于转台下，然后通过空间光路把光导到转台上。这样的好处在于机械系统简单，对激光器和转台的性能指标要求相对较低。但是，光传输到转台上的光路与转台的转轴不能保证严格重合，并且转台转动过程中转轴也会发生抖动，因此，随着转台的转动，转台上的光的指向会发生变化。此外，两束频率相近的激光导到转台上，将两路光从空间上分开也是这种方式的难点。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题和不足，即台上系统较复杂、体积相对较大、转台载荷较重等问题，造成系统在某些应用中缺乏灵活性的不足。提供一种基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置。
本发明机械结构部分简单，可扩展空间大，其双光束传输的方法可用于其他类似的需要多台激光器和转台的系统中，其方法在原理上具有普遍适用性。
本发明的目的是这样实现的：
采用光纤耦合器将两束频率相近的光耦合入光纤，光纤输出的一束光通过空间光路导到转台上；由于光路无法做到与转台的转轴严格重合，并且转台转动过程中转轴也会发生抖动，因此，导到转台上的空间光的指向会随着转台的转动发生变化；为克服台上光路指向变化问题，这里在转台上将光耦合入光纤；然后利用光纤耦合器将一根光纤分成两根并输出两束空间光，这两束空间光分别通过光学滤波器后，每一束光中两种频率成分从空间上分开。
具体地说，本装置包括光学平台；
设置有光源、合束模块、第1反射镜、转台、第2反射镜和分光模块；
光源包括并联的第1、2激光器；
合束模块包括串联的光纤合束器和准直器；
分光模块包括耦合器，第1、2准直器，光纤分束器和第1、2光学滤波器；耦合器和光纤分束器前后连接，光纤分束器、第1准直器、第1光学滤波器依次连接，光纤分束器、第2准直器、第2光学滤波器依次连接；
其位置关系是：
在光学平台上，光源、合束模块和第1反射镜依次排列；
转台通过其支脚固定在光学平台上；
第1反射镜固定在光学平台上且位于转台的底面下方的中间位置；
第2反射镜固定在转台的台面上方的中间位置；
第2反射镜和分光模块前后排列，分光模块放置在转台的台面的上方；
其光路是：
由第1、2激光器输出的两束光通过光纤合束器和准直器输出一束空间光；这束空间光通过第1、2反射镜导到转台的台面上，然后进入耦合器并在光纤内传输；光纤内传输的光通过光纤分束器分成两束光；一束光通过第1准直器和第1光学滤波器输出一束空间光；另一束光通过第2准直器和第2光学滤波器也输出一束空间光；
所述的第1、2光学滤波器选用法布里-珀罗干涉仪。
本发明具有以下优点和积极效果：
①机械结构部分简单，可扩展空间大；
②对激光器和转台的性能指标要求相对较低；
③利用光学耦合器，省去合束和分光所必须的光学元件，使光学系统更紧凑，节省空间；
④利用反射镜将光导到转台上，然后耦合入光纤，克服了转台转动引起的光路指向变化问题；
⑤该装置及其分光原理具有普遍适用性，可用于其他类似的需要多台激光器和转台的系统中。
总之，本装置结构简单，稳定性高，易于实现，可应用于激光陀螺仪的高精度检测，激光干涉仪和原子干涉仪的惯性测量、基本物理常数测定以及狭义相对论的高精度验证等领域。
附图说明
图1-1是本装置的结构及其光路方框图，
图1-2是本装置的位置示意图；
图中：
A—光学平台；
00—光源；
10—合束模块；
20—第1反射镜；
30—转台，31—支脚，32—底面，33—台面；
40—第2反射镜；
50—分光模块；
JG-1、JG-2—第1、2激光器；
GH—光纤合束器，GF—光纤分束器；
ZZ—准直器，OH—耦合器，
ZZ-1、ZZ-2—第1、2准直器；
LB-1、LB-2—第1、2光学滤波器；
图2是光学滤波器的分光示意图，
横坐标：频率（赫兹），纵坐标：透过率；
图2中给出了第1、2光学滤波器LB-1、LB-2的透过峰随频率的变化；
第1、2光学滤波器LB-1、LB-2各自相邻两个谐振峰的间隔分别为ΔFSR1、ΔFSR2，谐振峰的峰值降为一半时的频宽分别为δv1、δv2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本装置详细说明：
一、装置的结构
1、总体
如图1，本装置包括光学平台A；
设置有光源00、合束模块10、第1反射镜20、转台30、第2反射镜40和分光模块50；
光源00包括并联的第1、2激光器JG-1、JG-2；
合束模块10包括串联的光纤合束器GH和准直器ZZ；
分光模块50包括耦合器OH，第1、2准直器ZZ-1、ZZ-2，光纤分束器GF和第1、2光学滤波器LB-1、LB-2；耦合器OH和光纤分束器GF前后连接，光纤分束器GF、第1准直器ZZ-1、第1光学滤波器LB-1依次连接，光纤分束器GF、第2准直器ZZ-2、第2光学滤波器LB-2依次连接；
其位置关系是：
在光学平台A上，光源00、合束模块10和第1反射镜20依次排列；
转台30通过其支脚31固定在光学平台A上；
第1反射镜20固定在光学平台A上且位于转台30的底面32下方的中间位置；
第2反射镜40固定在转台30的台面33上方的中间位置；
第2反射镜40和分光模块50前后排列，分光模块50放置在转台30的台面33的上方；
其光路是：
由第1、2激光器JG-1、JG-2输出的两束光通过光纤合束器GH和准直器ZZ输出一束空间光；这束空间光通过第1、2反射镜20、40导到转台30的台面33上，然后进入耦合器OH并在光纤内传输；光纤内传输的光通过光纤分束器GF分成两束光；一束光通过第1准直器ZZ-1和第1光学滤波器LB-1输出一束空间光；另一束光通过第2准直器ZZ-2和第2光学滤波器LB-2也输出一束空间光。
所述的第1、2光学滤波器选用法布里-珀罗干涉仪。
2、功能部件
（1）光学平台A
光学平台A是一种通用的实验平台。
（2）第1、2激光器JG-1、JG-2
是一种通用激光器，如Nd:YAG激光器；其中心波长有差异，但比较接近。
（3）光纤合束器GH
光纤合束器GH是一种通用的光纤耦合器；用于将两根光纤输入合成一根光纤输出。
（4）光纤分束器GF
光纤分束器GF是一种通用的光纤耦合器；用于将一根光纤输入分成两根光纤输出。
（5）第1反射镜20和第2反射镜40
是一种通用的平面反射镜。
（6）转台30
转台30是一种高精度的通用的旋转平台，包括支脚31、底面32和台面33；
通过电机驱动，其中部转轴位置留有一个垂直方向的通光孔。
（7）OH—耦合器
是一种通用的光纤端口耦合器，用于将空间传输的光耦合入光纤并在光纤内传播。
（8）ZZ—准直器，ZZ-1、ZZ-2—第1、2准直器
是一种通用的光纤端口准直器，用于将光纤内传输的光变成平行光并在空间传播。
（9）第1、2光学滤波器LB-1、LB-2
是一种通用的滤光器件，它只允许一定波长的光通过，选用法布里-珀罗干涉仪。
若两路激光的频率差为500MHz，两激光器的频率变动范围约为1MHz，则两腔的谐振峰之间的频率需要大于500MHz，两腔的谐振峰的峰宽大于1MHz；因此，可以使用的两个法布里-珀罗干涉仪的腔长为5cm，精细度为1000。
3、工作原理
1）合束
如图1-1、1-2，由第1激光器JG-1输出的频率为f1的激光和由第2激光器JG-2输出的频率为f2的激光通过光纤合束器GH耦合入一根光纤，然后通过准直器ZZ输出一束空间光（包含f1和f2两种频率成分）；这束光通过第1反射镜20后导到转台30的台面33上；为保证转台30转动过程中，光束指向变化尽量小，需要仔细优化准直器ZZ和第1反射镜20的位置和倾斜角度，使得导到转台30上的空间光束与转台30的转轴尽可能地重合；转台30的台面33上的空间光通过第2反射镜40后进入耦合器OH并在光纤内传输，这样可以保证转台30转动过程中第1、2准直器ZZ-1、ZZ-2输出的空间光的指向不发生变化。
2）分光
如图1-1、1-2，转台30的台面33上的空间光，通过耦合器OH耦合入一根光纤，光纤内传输的光通过光纤分束器GF分成两束，然后分别耦合入第1、2准直器ZZ-1、ZZ-2；第1准直器ZZ-1输出的一束空间光（包含f1和f2两种频率成分），经过第1光学滤波器LB-1后，输出只有频率为f1的空间光；类似地，第2准直器ZZ-2输出的一束空间光（包含f1和f2两种频率成分），经过第2光学滤波器LB-2后，输出只有频率为f2的空间光。
3）光学滤波器滤光
常用的光学滤波器都是基于干涉滤波的原理滤光，这里以法布里-珀罗干涉仪为例。法布里-珀罗干涉仪的透过率随频率的变化如图2所示；第1、2光学滤波器LB-1、LB-2各自相邻两个谐振峰的间隔为ΔFSR1、ΔFSR2，谐振峰的峰值降为一半时的频宽为δv1、δv2；若自由运转的第1、2激光器JG-1、JG-2的频率为f1和f2，频率变动范围分别δf1和δf2，则第1、2光学滤波器LB-1、LB-2需满足ΔFSR1、ΔFSR2＞|f1-f2|，δv1＞δf1和δv2＞δf2；当第1激光器JG-1输出的光位于第1光学滤波器LB-1的谐振峰附近时，频率为f1的光透过第1光学滤波器LB-1，但是频率为f2的光远离第1光学滤波器LB-1的谐振峰，无法透过第1光学滤波器LB-1；类似地，当第2激光器JG-2输出的光位于第2光学滤波器LB-2的谐振峰附近时，频率为f2的光透过第2光学滤波器LB-2，但是频率为f1的光远离第2光学滤波器LB-2，无法透过第2光学滤波器LB-2。
4、具体应用实例
基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置，可广泛应用于激光陀螺仪的高精度检测，激光干涉仪和原子干涉仪的惯性测量、基本物理常数测定以及狭义相对论的高精度验证等需要多台激光器和转台的系统中。以法布里-泊罗激光干涉仪检验洛伦兹不变性为例。与迈克尔逊-莫雷实验类似，法布里-泊罗激光干涉仪需要放置在转台的台面上；为降低光、机、电系统的复杂性，使用两台激光器并将其放置在光学平台上；两台激光器发出的两束空间光需要导到转台上，并分别耦合入两个激光干涉仪，以检验洛伦兹对称性；两台激光器发出的两束空间光导到转台上，容易实现；但是将两束空间光导到转台上后，保证两束光指向不发生变化并且能从空间上分开，就需要采用基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置。
Claims (1)
1.一种基于光纤耦合器和光学滤波器的转台双光束传输装置，包括光学平台（A）；
其特征在于：
设置有光源（00）、合束模块（10）、第1反射镜（20）、转台（30）、第2反射镜（40）和分光模块（50）；
光源（00）包括并联的第1、2激光器（JG-1、JG-2）；
合束模块（10）包括串联的光纤合束器（GH）和准直器（ZZ）；
分光模块（50）包括耦合器（OH），第1、2准直器（ZZ-1、ZZ-2），光纤分束器（GF）和第1、2光学滤波器（LB-1、LB-2）；耦合器（OH）和光纤分束器（GF）前后连接，光纤分束器（GF）、第1准直器（ZZ-1）、第1光学滤波器（LB-1）依次连接，光纤分束器（GF）、第2准直器（ZZ-2）、第2光学滤波器（LB-2）依次连接；
其位置关系是：
在光学平台（A）上，光源（00）、合束模块（10）和第1反射镜（20）依次排列；
转台（30）通过其支脚（31）固定在光学平台（A）上；
第1反射镜（20）固定在光学平台（A）上且位于转台（30）的底面（32）下方的中间位置；
第2反射镜（40）固定在转台（30）的台面（33）上方的中间位置；
第2反射镜（40）和分光模块（50）前后排列，分光模块（50）放置在转台（30）的台面（33）的上方；
其光路是：
由第1、2激光器（JG-1、JG-2）输出的两束光通过光纤合束器（GH）和准直器（ZZ）输出一束空间光；这束空间光通过第1、2反射镜（20、40）导到转台（30）的台面（33）上，然后进入耦合器（OH）并在光纤内传输；光纤内传输的光通过光纤分束器（GF）分成两束光；一束光通过第1准直器（ZZ-1）和第1光学滤波器（LB-1）输出一束空间光；另一束光通过第2准直器（ZZ-2）和第2光学滤波器（LB-2）也输出一束空间光；
所述的第1、2光学滤波器选用法布里-珀罗干涉仪。
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