CN113566962A - 一种温度可控的光纤输入输出光学滤波系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,属于天文光谱技术领域。该装置的双级温度控制器通过外层控制导线与隔离腔相连,双级温度控制器通过内层控制导线与光学滤波系统相连;所述的输入光源由输入光纤导入、输出光源由输出光纤导出,输入光纤、输出光纤分别贯穿隔离腔接入光学滤波系统的光纤输入端及光纤输出端。本发明提供的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,采用内外双层温度控制回路,降低内层温度控制回路受环境温度波段的影响和冲击,可以显著提高长期工作条件下内部光学滤波器件的温度稳定性及控制精度(温度波动<10 mK)。

Description

一种温度可控的光纤输入输出光学滤波系统
技术领域
本发明涉及一种温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,属于天文光谱技术领域。
背景技术
当代光学天文光谱观测对相关终端仪器的精度和稳定性提出了很高的要求。例如,用于高精度视向速度测量的光纤输入高分辨率光谱仪及定标单元,需要对其光学系统施加高稳定环境控制措施以实现长时间下的低漂移工作。其中,对单个光学元件的温度控制需要同时满足高精度和高稳定性要求。为此,通常需要在仪器系统设计中通过选择合适的材料、温度补偿结构等来尽量降低系统的热敏感度。以本身热稳定性较好的熔融石英材料为例,其在室温下的热膨胀系数在0.55 x 10-6 K-1左右,热光系数则在8-9 x 10-6 K-1左右。尽管如此,如不加控制,环境温度波动对基于其上的光学元件,尤其是光学滤波器等透射式光学元件性能仍有较大影响。尤其是对亮度较低的目标进行长时间曝光拍摄以及对同一目标的长时间跟踪测量等来说,相关温度控制装置的抗环境温度波动干扰能力尤为重要。以高精度视向速度测量为例,需要保证在单个观测夜以及数月甚至数年的长周期观测中,对相应光纤输入高分辨率光谱仪及其定标单元中的关键光学元件维持温度波动<10 mK甚至更高精度的控制;同时要求减少温控实现过程中可能引入的机械振动,避免对仪器机械稳定性造成影响。一般的光学滤波系统,适用的连续工作时间较短,可实现的温度控制稳定性较低。
例如,申请号为201810480418.5的专利公开了一种用于航空机载设备的光学元件组件及其温度控制装置,通过内层TEC制冷片、外层TEC制冷片以及夹层导热体进行热传导实现温度控制,使用风扇保证散热翅片的有效散热,可以适应短时间内上百摄氏度的环境温差变化。但对于天文应用来说,相较于对剧烈环境温差变化的适应能力,长期的机械、光学稳定性和控制精度更为重要,无法由此类技术方案满足。
发明内容
本发明针对上述问题提供了温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,
实现无机械振动且抗环境扰动的光学滤波,使其能够满足高精度天文光谱观测中对仪器长期稳定性的要求。
本发明采用如下技术方案:
本发明所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:包括双级温度控制器,光学滤波系统,隔离腔,输入光纤,输出光纤,输入光源,输出光源;所述的光学滤波系统位于隔离腔内;所述的双级温度控制器通过外层控制导线与隔离腔相连,双级温度控制器通过内层控制导线与光学滤波系统相连;所述的输入光源由输入光纤导入、输出光源由输出光纤导出,输入光纤、输出光纤分别贯穿隔离腔接入光学滤波系统的光纤输入端及光纤输出端。
本发明所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,所述的隔离腔内布置内腔体,隔离腔沿轴向的两个端面分别设有安装孔,安装孔与内腔体相连通;内腔体的轴向两端分别设有侧盖;隔离腔两端的安装孔内分别设有与输入光纤相连的光纤连接器及与输出光纤相连的光纤连接器;光纤连接器与侧盖相固定;
所述的内腔体内布置光学滤波系统;光纤连接器分别通过输入光纤及输出光纤与光学滤波系统相连;内腔体设有热敏电阻,内腔体与热敏电阻分别通过导线与双级温度控制器相连。
本发明所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,所述的内腔体的轴向两端的侧盖相对端面分别布置T型隔热垫圈,两个T型隔热垫圈之间固定支杆;光学滤波系统置于支杆上。
本发明所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,所述的光学滤波系统包括安装座,固定件,滤波元件,光学垫圈,环形陶瓷加热片;所述的安装座内布置固定件,固定件的底端设有两层光学垫圈,两层光学垫圈之间布置滤波元件,安装座的一侧设有进光口,固定件的一侧设有出光口;安装座的进光口与固定件的出光口处于同一直线;滤波元件的两侧端面分别面向安装座内的进光口及出光口;安装座内还设有敏热电阻;安装座的外侧布置环形陶瓷加热片。
安装座为铝质筒状结构,中部具有矩形支板结构,其四角具备支杆固定通孔,一侧具有温度传感器安装孔;安装圆筒外壁具有外螺纹,用于固定加热环固定罩;一端具有突出的小口径套筒,内壁具有螺纹通孔,用于安装输入光纤准直器;另一端内壁具有螺纹安装孔,用于放置圆形滤波器件,通过滤波器件固定件固定;滤波器件与安装座及固定件间由光学垫圈隔开。
滤波器件固定件具有T型截面,中心有螺纹通孔,用于安装输出光纤耦合器;大外径端具有外螺纹,与安装座安装孔内螺纹相匹配。
光纤准直器及光纤耦合器包含消色差透镜(组)或离轴抛物面反射镜及标准光纤接口,其镀膜波长范围与滤波器件工作波长范围相匹配。
加热环固定罩为隔热塑料材质、圆形结构,中心具有直径大于安装座小口径套筒外径的通孔,用于穿出;内壁具有内螺纹,用于与安装座连接紧固;开有两小孔用于导线穿出。
安装座加热环为两片同型号的环形结构的陶瓷或薄膜加热片,其中心通孔大于固定罩中心通孔,其外径小于固定罩内径;安装时,加热环与固定罩、安装座同心,通过螺旋锁紧固定;加热环与安装座接触面可涂敷导热硅脂或导热金属箔以实现更好的热接触;加热环导线由固定罩小孔穿出。
安装座可由四角支杆固定通孔及锁紧螺丝固定于不锈钢材质圆柱形支杆上,底部两根支杆可穿过侧盖对应通孔及垫圈,继而通过卡扣固定。特别的,对于定位精度较高的单模光纤输出场景,可将耦合透镜固定于安装座输出端,光纤接口固定在分离的笼式三维调整支架上,笼式调整架通过四根支杆与安装座实现共心安装,从而实现精密耦合调节。
输入光纤连接器、输出光纤连接器均为标准连接器,经由安装孔固定于隔离腔侧盖上。光纤连接器即光纤法兰,用于对接具备相应标准接头的两根光纤。光纤连接器用于实现外部输入、输出光纤的快速插拔切换。
光纤可为单模光纤或多模光纤,输入光纤一端固定于输入光纤连接器,另一端固定于光纤准直器;输出光纤一端固定于光纤耦合器,另一端固定于输出光纤连接器。
隔离腔腔体与隔离腔侧盖通过螺纹孔及对应固定通孔实现固定连接,隔离腔腔体外侧壁中部具有温度传感器安装孔,外侧面固定有柔性加热片。隔离腔外表面包裹有保温层,其材料可为隔热海绵、隔热铝箔等。
内层温度传感器及安装座加热环,以及外层温度传感器、隔离腔柔性加热片,与双级温度控制器相连,分别构成内层温度控制回路和外层温度控制回路。其中外层温度控制回路设定温度略低于内部温度控制回路设定温度,略高于工作环境温度。特别的,可以另外添加放置在工作环境中的温度传感器,从而实现工作环境温度实时监测。工作时,首先设定外层温度控制回路控制参数,使其基本实现稳定工作;之后,在外层隔离腔基本达到设定温度时,设定内层温度控制回路控制参数,从而实现对内层滤波器件的高精度高稳定温度控制。
有益效果
本发明提供的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,采用内外双层温度控制回路,降低内层温度控制回路受环境温度波段的影响和冲击,可以显著提高长期工作条件下内部光学滤波器件的温度稳定性及控制精度(温度波动<10 mK)。
本发明采用内层略高于外层的加热温度控制方法,相较于制冷控制,可以防止滤波器件结露造成的器件损伤。
本发明内部采用双加热环同步加热,可实现更为均匀和精确的温度控制。
本发明外层包裹隔温材料,可以进一步减少整体系统受环境波动的影响。
本发明采取可重复插拔式光纤输入输出结构,及具备良好的抗震动独立工作能力,可以实现输入源或输出系统的快速切换,操作便捷、维护方便。
本发明可适用于多种不同结构的光学滤波器件,如干涉滤光片、F-P滤光器、气体盒等。
本发明内部采用笼式共心光学结构,可通过添加相应机械调整结构实现单模光纤精密耦合输出。笼式共心光学结构通过四角光学支杆实现共心组装。
附图说明
图1为本发明的主要功能结构示意图。
图2为本发明的主体部分机械结构实例外观三维示意图。
图3为本发明的主体部分机械结构实例外观侧视示意图。
图4为本发明的主体部分机械结构剖视图。
图5为本发明为安装座及其附件与滤波元件的外观侧视实例图。
图6为本发明为安装座及其附件与滤波元件的安装组装剖视图。
图7为此实例获得的出射光谱示意图。
图8为此实例工作时的内部温度曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,使用双级温度控制器S3对隔离腔S2和光学滤波系统S1加以双级温度控制,其目的是使外层隔离腔保持一个较稳定的设定温度,从而为内部光学滤波系统提供一个持久稳定的局部工作环境。光纤S4输出的输入光源S6通过标准光纤连接器直接耦合入隔离腔S2内的光学滤波系统S1中,经过滤波的输出光S7通过标准光纤连接器导出到光纤S5。
图中S8和S9为外层温度传感器及加热器件控制导线,S10和S11为内层温度传感器及加热器件控制导线。
内、外层控制回路分别通过内层温度传感器、内层加热器件、内层温度控制通道,以及外层温度传感器、外层加热器件、外层温度控制通道组成。其原理为:通过温度传感器获取控制对象的实时温度探测信号,通过比较当前温度与预设控温温度的差距,根据控制器内设置的控制参数,计算出所需的加热器件输出功率并进行相应输出。具体控制方法可为任意算法,常用为PID(比例积分微分)算法,亦可采用模糊控制等其它算法实现。
如图2所示,安装好的滤波元件及其安装座1通过不锈钢支杆2与隔离腔侧盖一6、侧盖二7相连,接触处安装有塑料材质的T型隔热垫圈一10、T型隔热垫圈二11。侧盖中心处安装有FC/APC光纤连接器一12、FC/APC光纤连接器二13,隔离腔外侧端口分别提供滤波系统输入、输出接口;腔内侧端口分别接有输入光纤3和输出光纤4。为提高输入光的准直度及较高的输出耦合稳定度,输入光纤采用单模光纤而输出光纤则采用多模光纤。
隔离腔腔体5及侧盖一6、侧盖二7为铝合金材质。隔离腔腔体外侧底部传感器安装孔安装有10 kΩ NTC热敏电阻一8,通过导热硅脂固定;腔体外侧贴有矩形柔性聚酰亚胺加热膜9。该柔性聚酰亚胺加热膜热膜厚度忽略不计,其平铺状况下表面形状为矩形。为柔性,卷曲贴合圆柱体外壁粘贴固定。
10 kΩ NTC热敏电阻一8、矩形柔性聚酰亚胺加热膜9分别通过导线连接到外部PID温度控制器通道,构成外层温度控制回路。隔离腔外侧包裹有隔热泡沫层,以进一步减少与外界环境的热交换,提高温度稳定性。
安装座及其附件与滤波元件的具体安装组装方式如图3所示。滤波元件110为直径一英寸的固体F-P干涉器,通过两枚PTFE材质的光学垫圈一121、光学垫圈二122以及固定件132固定在安装座131内。
安装座131进光口一侧安装有一FC/APC接口的光纤准直器171,用于固定单模输入光纤;固定件132出光口一侧安装有一FC/APC接口的光纤耦合器172,用于固定多模输出光纤。安装座顶部传感器安装孔内通过导热硅脂固定安装有一10 kΩ NTC热敏电阻二140。环形陶瓷加热片一151、环形陶瓷加热片二152通过PEEK材质的固定环一161、固定环二162旋紧固定在安装座上。10 kΩ NTC热敏电阻二140与环形陶瓷加热片一151、环形陶瓷加热片二152分别通过导线连接到外部PID温度控制器通道,构成内层温度控制回路。
采用宽谱段光源输入时获得的出射光谱如图4所示,为类梳状光谱,可用于光谱标定、测距等应用。内部探测器读数曲线如图5所示,元件工作温度基本维持在10 mK起伏之内。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:包括双级温度控制器,光学滤波系统,隔离腔,输入光纤,输出光纤,输入光源,输出光源;所述的光学滤波系统位于隔离腔内;所述的双级温度控制器通过外层控制导线与隔离腔相连,双级温度控制器通过内层控制导线与光学滤波系统相连;所述的输入光源由输入光纤导入、输出光源由输出光纤导出,输入光纤、输出光纤分别贯穿隔离腔接入光学滤波系统的光纤输入端及光纤输出端。
2.根据权利要求1所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的隔离腔内布置内腔体,隔离腔沿轴向的两个端面分别设有安装孔,安装孔与内腔体相连通;内腔体的轴向两端分别设有侧盖;隔离腔两端的安装孔内分别设有与输入光纤相连的光纤连接器及与输出光纤相连的光纤连接器;光纤连接器与侧盖相固定;
所述的内腔体内布置光学滤波系统;光纤连接器分别通过输入光纤及输出光纤与光学滤波系统相连;内腔体设有热敏电阻,内腔体与热敏电阻分别通过导线与双级温度控制器相连。
3.根据权利要求2所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的内腔体的轴向两端的侧盖相对端面分别布置T型隔热垫圈,两个T型隔热垫圈之间固定支杆;光学滤波系统置于支杆上。
4.根据权利要求1或2或3所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的光学滤波系统包括安装座,固定件,滤波元件,光学垫圈,环形陶瓷加热片;所述的安装座内布置固定件,固定件的底端设有两层光学垫圈,两层光学垫圈之间布置滤波元件,安装座的一侧设有进光口,固定件的一侧设有出光口;安装座的进光口与固定件的出光口处于同一直线;滤波元件的两侧端面分别面向安装座内的进光口及固定件的出光口;安装座内还设有敏热电阻;安装座的外侧布置环形陶瓷加热片。
5.根据权利要求4所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的环形陶瓷加热片通过加热环固定罩布置在安装座外侧。
6.根据权利要求4所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的环形陶瓷加热片与安装座的接触面之间涂敷导热硅脂或导热金属箔。
7.根据权利要求4所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的进光口处设有FC/APC接口的光纤准直器,用于固定单模输入光纤;所述的出光口处设有FC/APC接口的光纤耦合器,用于固定多模输出光纤。
8.根据权利要求4所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的滤波元件为固体F-P干涉器。
9.根据权利要求7所述的温度可控的光纤输入输出光学滤波系统,其特征在于:所述的光纤准直器及光纤耦合器包含消色差透镜或消色差透镜组或离轴抛物面反射镜及标准光纤接口,其镀膜波长范围与滤波器件工作波长范围相匹配。
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