CN114690327A - 一种光纤耦合空间光路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤耦合空间光路结构，在保证小型化的同时，实现所有光学元件的全固化粘接，固化后无需重调；通过多种粘胶的合理搭配，在保证光路稳定性的同时，实现激光高效率固化；通过材料的选择，实现光路中核心组件具有近似的热膨胀系数，保证光路具有更好的抗温变性能；通过核心组件的结构设计，在保证了光路功能实现的情况下，进一步增强光路的抗温变性能。该高稳定光纤耦合空间光路具有结构紧凑、高效率、抗温变性能强的特点，满足原子陀螺工程化样机的使用需求。

Description

一种光纤耦合空间光路结构
技术领域
本发明涉及量子惯性测量领域，更具体地，涉及一种光纤耦合空间光路结构。
背景技术
原子陀螺仪是一种新颖的量子惯性测量设备。激光系统是原子陀螺仪工作的基本要求，光纤耦合空间光路是激光系统的核心组件之一，光纤耦合空间光路的工程化是原子陀螺仪从实验室样机走向工程化的重要环节。
目前，在量子惯性测量领域，针对光纤耦合空间光路的工程化主要采用两种技术手段，主要为铝合金结构激光光路。对于铝合金结构激光光路，由于光学元件均为玻璃材质，与铝合金材料的热膨胀系数存在较大差异，不利于光路在全温环境下的长期稳定。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种光纤耦合空间光路结构，通过对空间光路中光纤耦合等结构的特殊设计和材料的选择，提升空间光路的抗温变性能，进而满足原子陀螺工程化样机的使用需求。
本发明提供的光纤耦合空间光路结构，包括通过粘胶固连于微晶玻璃基板上的激光准直耦合器、偏振分光组件、声光调制器、平面反射镜组件、饱和吸收组件和光电探测器；
所述激光准直耦合器包括光纤陶瓷插针、透镜、透镜安装座、光纤安装件、透镜调节工装和顶丝，实现激光从光纤到空间的准直输出和激光从空间到光纤的耦合输入，所述光纤陶瓷插针与第一光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化，再将第一光纤安装件与第二光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化，固化前调节第一光纤安装件的前后位置，使得激光经过透镜后准直输出，透镜与透镜安装座通过低热膨胀系数环氧胶固化；第二光纤安装座与透镜调节工装通过低热膨胀系数环氧胶粘接在微晶玻璃基板上，透镜安装座与第二光纤安装件间通过球面接触，通过三颗顶丝，实现透镜安装座的二维调节，实现激光沿着透镜轴线出射，透镜安装座与第二光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述光纤陶瓷插针选用陶瓷材料，所述透镜选用石英材料，所述透镜安装座、所述第一光纤安装座、第二光纤安装座选用微晶玻璃材料，各元件间采用低热膨胀系数环氧胶固化。
可选的，所述偏振分光组件包括半波片、第一半波片座、第二半波片座、偏振分光棱镜和偏振分光棱镜座，所述半波片通过紫外胶与第一半波片座固连，第一半波片座与第二半波片座间为圆柱面接触，实现所述半波片的旋转调节；所述偏振分光棱镜与所述偏振分光棱镜座间通过紫外胶固连，第二半波片座与所述偏振分光棱镜座通过紫外胶与微晶玻璃基板固连，所述偏振分光组件将一束激光分成两束垂直光束，通过旋转所述半波片实现两束垂直光束激光功率比例调节，第一半波片座与第二半波片座间通过紫外胶固连。
可选的，所述声光调制器为激光频率调制元件，用来实现激光频率调制和激光开关控制。
可选的，所述平面反射镜组件包括平面反射镜、第一反射镜安装座、第二反射镜安装座，实现激光方向折转和激光高度调节；
所述平面反射镜通过紫外胶与第一反射镜安装座固连，所述第一反射镜安装座与第二反射镜安装座为球面接触，且两者通过紫外胶固连；所述第二反射镜安装座通过紫外胶与微晶玻璃底板固连。
可选的，所述饱和吸收组件包括铷泡、第一反射镜、第二反射镜、第一小孔光阑和第二小孔光阑；
所述铷泡内含有饱和的铷蒸气，经过所述偏振分光组件分光后的第一束探测光通过第一小孔光阑后进入所述铷泡，通过第一反射镜和第二反射镜使得激光在所述铷泡内多次反射后通过第二小孔光阑出射，多次反射以延长激光在铷蒸气中的光程，增大激光饱和吸收信号；第二束参考光从反方向通过第二小孔光阑和第一小孔光阑，与第一束探测光在空间上重合。
可选的，所述光电探测器用于将饱和吸收光信号转换为电信号，再反馈给激光器实现激光频率锁定。
本发明提供的一种光纤耦合空间光路结构，在保证小型化的同时，实现所有光学元件的全固化粘接，固化后无需重调；通过多种粘胶的合理搭配，在保证光路稳定性的同时，实现激光高效率固化；通过材料的选择，实现光路中核心组件具有近似的热膨胀系数，保证光路具有更好的抗温变性能；通过核心组件的结构设计，在保证了光路功能实现的情况下，进一步增强光路的抗温变性能。该高稳定光纤耦合空间光路具有结构紧凑、高效率、抗温变性能强的特点，满足原子陀螺工程化样机的使用需求。
附图说明
图1为本发明高稳定光纤耦合空间光路组成图；
图2为本发明激光准直/耦合器结构图；
图3为本发明偏振分光组件图；
图4为本发明平面反射镜组件图；
图5为本发明饱和吸收组件图。
其中，附图中各部件所代表的名称如下：
1、激光准直/耦合器，2、偏振分光组件，3、声光调制器，4、平面反射镜组件，5、饱和吸收组件，6、光电探测器；11、光纤陶瓷插针，12、透镜，13、透镜安装座，14、第一光纤安装件，15、第二光纤安装件，16、透镜调节工装，17、顶丝；21、半波片，22、第一半波片座，23、第二半波片座，24、偏振分光棱镜，25、偏振分光棱镜座；41、平面反射镜，42、第一反射镜安装座，43、第二反射镜安装座；51、铷泡，52、第一反射镜，53、第二反射镜，54、第一小孔光阑，55、第二小孔光阑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明实施例提供了一种高稳定光纤耦合空间光路结构，用于提高空间光路的环境适应性，满足原子陀螺工程化样机的使用需求。该光纤耦合空间光路结构主要包括激光准直/耦合器1、偏振分光组件2、声光调制器3、平面反射镜组件4、饱和吸收组件5和光电探测器6，空间光路分布于一块微晶玻璃基板上。
可以理解的是，该光纤耦合空间光路结构的工作原理为：激光通过光纤传递至激光准直/耦合器1转换为空间光，并实现激光的准直输出，准直后的空间光经过偏振分光组件2分成两束，其中一束经过声光调制器3完成频率调制，由平面反射镜组件4反射后再经过偏振分光组件2进行分束，两束光经过不同路径(路径上可以有其他光学元件)后再通过偏振分光组件2将两束光合成一束，最终通过激光准直/耦合器1将两束空间光同时耦合进光纤。另一束激光经过偏振分光组件2分成两束，其中一束L4参考光反向经过饱和吸收组件5，另一束L3探测光直接通过饱和吸收组件5，由光电探测器6将光信号转换为电信号。
参见图2，激光准直/耦合器1由多个零件组成，激光经过光纤陶瓷插针11形成发散高斯激光，光纤陶瓷插针11选用APC端口，出光方向与光纤陶瓷插针11轴线方向成8°夹角，沿透镜12的轴线方向。光纤陶瓷插针11与第一光纤安装件14间通过低热膨胀系数环氧胶固化，再将第一光纤安装件14与第二光纤安装件15间通过低热膨胀系数环氧胶固化，固化前需调节第一光纤安装件14前后位置，使得激光经过透镜12后准直输出，透镜12与透镜安装座13通过低热膨胀系数环氧胶固化；第二光纤安装座15与透镜调节工装16通过低热膨胀系数环氧胶粘接在微晶玻璃基板(图中未画出)上，透镜安装座13与第二光纤安装件15间通过球面接触，通过三颗顶丝17，实现透镜安装座13的二维调节，实现激光沿着透镜轴线出射，透镜安装座13与第二光纤安装件15间通过低热膨胀系数环氧胶固化，球面设计同时可保证胶层的均匀性。激光准直/耦合器1实现激光从光纤到空间的准直输出和激光从空间到光纤的耦合输入；光纤陶瓷插针11选用陶瓷材料，透镜12选用石英材料，透镜安装座13、第一光纤安装件14、第二光纤安装件15选用微晶玻璃材料，各元件间采用低热膨胀系数环氧胶固化，所选材料均具有较低热膨胀系数，整体具有较高的抗温变性能。
参考图3，偏振分光组件2由多个零件组成，其中光学元件为半波片21和偏振分光棱镜24，半波片21通过紫外胶与第一半波片座22固连，第一半波片座22与第二半波片座23间为圆柱面接触，实现半波片21的旋转调节。偏振分光棱镜24与偏振分光棱镜座25间通过紫外胶固连，第二半波片座23与偏振分光棱镜座25通过紫外胶与微晶玻璃基板固连，偏振分光组件2将激光L0分成垂直光束L1和L2，通过旋转半波片21实现光束L1和L2激光功率比例调节，第一半波片座22与第二半波片座23间通过紫外胶固连。偏振分光组件2实现激光的偏振分束与合束，将一束激光按照一定功率比分成空间上垂直的两束激光或将空间上垂直的两束激光合成一束。
声光调制器3，为激光频率调制元件，用来实现激光频率调制和激光开关控制。
参考图4，平面反射镜组件4由多个零件组成，主要由平面反射镜41、第一反射镜安装座42、第二反射镜安装座43组成，实现激光方向折转和激光高度调节。平面反射镜组件4的光学元件为平面反射镜41，通过紫外胶与第一反射镜安装座42固连，第一反射镜安装座42与第二反射镜安装座43间为球面接触，且通过紫外胶固连。当调节平面反射镜41姿态时，保证球面处胶层均匀，具有更好的抗温变性能；第二反射镜安装座43通过紫外胶与微晶玻璃底板(图中未画出)固连。
参考图5，饱和吸收组件5由多个零件组成，主要由铷泡51、第一反射镜52、第二反射镜53、第一小孔光阑54和第二小孔光阑55组成，利用铷原子对激光特定频率的吸收特性，得到饱和吸收谱线，用于将激光频率锁定在饱和吸收谱线的特定频率上。铷泡51内含有饱和的铷蒸气，L3探测光通过第一小孔光阑54后进入铷泡51，通过第一反射镜52和第二反射镜53使得激光在铷泡51内多次反射后通过第二小孔光阑55出射，多次反射的目的是延长激光在铷蒸气中的光程，进而增大激光饱和吸收信号；L4参考光从反方向通过第二小孔光阑55和第一小孔光阑54，与探测光L3在空间上重合。
其中，光电探测器6用于将饱和吸收光信号转换为电信号，再反馈给激光器实现激光频率锁定。微晶玻璃基板为空间光路的支撑结构，所有组件均按照激光的走向和功能实现分布于基板上，通过粘胶固连。
本发明实施例提供的一种光纤耦合空间光路结构，在保证小型化的同时，实现所有光学元件的全固化粘接，固化后无需重调；通过多种粘胶的合理搭配，在保证光路稳定性的同时，实现激光高效率固化；通过材料的选择，实现光路中核心组件具有近似的热膨胀系数，保证光路具有更好的抗温变性能；通过核心组件的结构设计，在保证了光路功能实现的情况下，进一步增强光路的抗温变性能。该高稳定光纤耦合空间光路具有结构紧凑、高效率、抗温变性能强的特点，满足原子陀螺工程化样机的使用需求。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种光纤耦合空间光路结构，其特征在于，包括通过粘胶固连于微晶玻璃基板上的激光准直耦合器、偏振分光组件、声光调制器、平面反射镜组件、饱和吸收组件和光电探测器；
所述激光准直耦合器包括光纤陶瓷插针、透镜、透镜安装座、光纤安装件、透镜调节工装和顶丝，实现激光从光纤到空间的准直输出和激光从空间到光纤的耦合输入，所述光纤陶瓷插针与第一光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化，再将第一光纤安装件与第二光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化，固化前调节第一光纤安装件的前后位置，使得激光经过透镜后准直输出，透镜与透镜安装座通过低热膨胀系数环氧胶固化；第二光纤安装座与透镜调节工装通过低热膨胀系数环氧胶粘接在微晶玻璃基板上，透镜安装座与第二光纤安装件间通过球面接触，通过三颗顶丝，实现透镜安装座的二维调节，实现激光沿着透镜轴线出射，透镜安装座与第二光纤安装件间通过低热膨胀系数环氧胶固化。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述光纤陶瓷插针选用陶瓷材料，所述透镜选用石英材料，所述透镜安装座、所述第一光纤安装座、第二光纤安装座选用微晶玻璃材料，各元件间采用低热膨胀系数环氧胶固化。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述偏振分光组件包括半波片、第一半波片座、第二半波片座、偏振分光棱镜和偏振分光棱镜座，所述半波片通过紫外胶与第一半波片座固连，第一半波片座与第二半波片座间为圆柱面接触，实现所述半波片的旋转调节；所述偏振分光棱镜与所述偏振分光棱镜座间通过紫外胶固连，第二半波片座与所述偏振分光棱镜座通过紫外胶与微晶玻璃基板固连，所述偏振分光组件将一束激光分成两束垂直光束，通过旋转所述半波片实现两束垂直光束激光功率比例调节，第一半波片座与第二半波片座间通过紫外胶固连。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述声光调制器为激光频率调制元件，用来实现激光频率调制和激光开关控制。
5.根据权利要求1所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述平面反射镜组件包括平面反射镜、第一反射镜安装座、第二反射镜安装座，实现激光方向折转和激光高度调节；
所述平面反射镜通过紫外胶与第一反射镜安装座固连，所述第一反射镜安装座与第二反射镜安装座为球面接触，且两者通过紫外胶固连；所述第二反射镜安装座通过紫外胶与微晶玻璃底板固连。
6.根据权利要求1所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述饱和吸收组件包括铷泡、第一反射镜、第二反射镜、第一小孔光阑和第二小孔光阑；
所述铷泡内含有饱和的铷蒸气，经过所述偏振分光组件分光后的第一束探测光通过第一小孔光阑后进入所述铷泡，通过第一反射镜和第二反射镜使得激光在所述铷泡内多次反射后通过第二小孔光阑出射，多次反射以延长激光在铷蒸气中的光程，增大激光饱和吸收信号；第二束参考光从反方向通过第二小孔光阑和第一小孔光阑，与第一束探测光在空间上重合。
7.根据权利要求6所述的光纤耦合空间光路结构，其特征在于，所述光电探测器用于将饱和吸收光信号转换为电信号，再反馈给激光器实现激光频率锁定。
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