CN115541199A - 一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置 - Google Patents

一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置 Download PDF

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何志平
谭永健
吴金才
杨秋杰
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Abstract

本发明公开了一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，该装置由激光光源、偏振分束器、半波片、四分之一波片、光陷阱、吸光锥、光耦合器、单光子探测器组成。激光光源照射到望远镜产生的后向杂散光经偏振分束器透射，进入单光子探测器中，实现杂散光的检测。通过偏振分束器实现激光光源光路与杂光光路的分离，以及杂光光路与本地光源衰减光光路的合并。在本地光源衰减光光路中放置或卸载光陷阱实现不同检测任务或检测需求的切换。通过激光光源光路中的快反镜改变检测视场，并通过吸光锥实现装置自身杂光的抑制。该装置检测精度高，能进行实时动态检测，可以应用到激光收发共孔径望远镜后向散射杂散光抑制设计的检测与评估。

Description

一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置
技术领域
本发明涉及激光收发共孔径望远镜性能检测，具体涉及一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置。它适用于激光收发共孔径望远镜设计、微弱杂光检测、特别适用于空间引力波望远镜杂散光抑制设计。
背景技术
激光收发共口径望远镜常用在激光雷达探测、空间引力波探测、自由空间量子通信。为了获取更高灵敏度的检测，需要对背景杂光进行抑制。来自望远镜的后向杂散光是背景杂光的主要成分，特别对于空间引力波探测，因发射激光光源能量高，接收信号弱，需要望远镜具备更高的杂光抑制比。
空间引力波探测是一种通过三颗卫星所构成的干涉链路探测引力波诱导空间扭曲产生的光程变化以获取引力波频率等信息的一种技术。自从引力波被地面引力波探测系统LIGO探测到以来，通过空间系统探测中低频段引力波成为国际热点，目前各许多国家组织正在对其关键技术研究，如欧空局LISA，中国的天琴与太极。
作为发射与接收激光束构成干涉链路的望远镜的研制与评估，是空间引力波探测关键技术之一。为了获取高的检测精度，减少对干涉系统影响，要求望远镜具备较高的后向杂光抑制比。如中国空间引力波探测任务要求望远镜的后向杂散光小于出射激光功率的1010分之一。因此需要设计一套杂散光检测系统以实现对该类望远镜杂光抑制设计的评估。
发明内容
本发明提供一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，设置杂光的检测与杂光抑制效果的评估系统。这种杂散光检测装置检测精度高，可实现实时动态检测，同时能对杂光影响进行评估，也可扩展到其他激光收发望远系统的评估上。
本发明的示意图如附图1所示，激光光源10产生的激光由第三偏振分束器9分两路正交的偏振光，垂直偏振光经快反镜8反射后，由半波片7调制为水平偏振光，水平偏振光经第三偏振分束器9反射，反射光经四分之一波片2调制产生测试光源，测试光源进行待测望远镜1产生的后向散射杂光，后向杂散光经过四分之一波片2后，由第一偏振分束器3及第二偏振分束器5透射，透射光与第二偏振分束器5反射的水平偏振光由光耦合器12耦合进单光子探测器13中；光陷阱11放置到光路中时，吸收第三偏振分束器9反射的偏振光，单光子探测器13探测待测望远镜1产生的后向散射杂光；光陷阱11从光路移除时，单光子探测器13探测待测望远镜1产生的后向散射杂光与本地光，此时，可对干涉型望远镜杂光效果进行评估；通过调整快反镜8测量不同视场杂散光；通过调整四分之一波片2角度测量杂散光的退偏情况；第一吸光锥4和第二吸光锥6分别吸收第一偏振分束器3和第二偏振分束器5透射杂光。
激光光源10波长与待测望远镜1设计波长相匹配，激光为脉冲激光器，能量低于各器件能量阈值，能量的10-10在单光子探测器13动态范围内，重复频率不高于单光子探测器工作频率；第一偏振分束器3、第二吸光锥6和第三偏振分束器9在特定波长下偏振消光比优于100000：1，透射水平偏振光，反射垂直偏振光；光陷阱11在激光光源波长下吸收效率优于10-5；第一吸光锥4和第二吸光锥6吸收效率优于10-5，光陷阱与吸光锥宽高大于等于第一偏振分束器3、第二吸光锥6及第三偏振分束器9的宽高；单光子探测器13在特定波长下的灵敏度高于激光光源能量的10-10；快反镜8动态范围应与望远镜1视场匹配；耦合器12在特定波长下的耦合效率高于50％；半波片7光轴应旋转到+45°；四分之一波片2光轴旋转到不同角度时，检测待测望远镜退偏情况；
本发明专利的优点在于：1、通过单光子探测器检测杂散光，灵敏度高，能检测到高抑制比下的杂光；2、器件可电控，经快反镜可实现全视场杂光实时检测与评估。
附图说明
图1激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置的示意图。
具体实施方式
本发明以空间引力波望远镜杂光检测作为实例，装置主要包括如下部分：
1)激光光源：在本实施方案中包括激光光源10，主要作用产生探测激光，采用窄线宽稳频激光器，波长1064nm，功率为10瓦，与引力波任务一致；
2)偏振分束器：在本实施方案中包括第一偏振分束器4,第二偏振分束器6,第三偏振分束器9，主要作用是分光，透射消光比为100000：1(1064nm)，传输效率大于99％，15mm×15mm×15mm，损失阈值为50瓦/cm；
3)1/4波片2为零阶石英波片，特定波长下的反射率为0.1％；直径15.0mm厚度2mm，反射率小于0.1％(1064nm)；
4)1/2波片7为零阶石英波片，特定波长下的反射率为0.1％；直径15.0mm厚度2mm，反射率0.1％(1064nm)；
5)快反镜8为音圈快反镜，镜片直径为20mm，分辨率小于等于0.5μrad，量程3°(大于望远镜视场)，镜片对偏振光的相位延迟为0.5°；反射率大于99.9％(1064nm)；
6)光陷阱11的材料为吸收性中性密度玻璃，最大功率密度15瓦每平方厘米，后向散射为10-5(1064nm)，入口孔径为11毫米；
7)第一吸光锥4和第二吸光锥6材料为吸收性中性密度玻璃，最大功率密度15瓦每平方厘米，后向散射为10-5(1064nm)入口尺寸为11mm×11mm×11mm；
8)单光子探测器13为硅雪崩光电探测器，计数率为20MHz(最大增益)，暗计数率小于1500Hz(最大增益)，检测效率为50％(1064nm)，为光纤连接；
9)光耦合器12为FC/PC准直封装，数值孔径0.25，焦距36.6mm，耦合效率50％。
下面描述一下杂光检测装置的具体工作流程，如图1所示：激光光源10产生的激光由第三偏振分束器9分成两束光路，透射的为垂直偏振光，反射的为水偏振光，两者能量比为100000:1，垂直偏振光经快反镜8反射后，由光轴旋转到45°的半波片7调制为水平偏振光，水平偏振光经第三偏振分束器9反射，并由四分之一波片2调制产生检测望远镜系统的光源。第三偏振分束器9透射的光将被吸光锥吸收掉后，其能量低于激光光源的10-10。当光打到望远系统，其产生的后向杂散光经过四分之一波片2后，大部分被调制为垂直偏振光，经由第一偏振分束器3进入杂光检测光路，该光由第二偏振分束器5透射后与第二偏振分束器5反射的水平偏振光由光耦合器12耦合进单光子探测器13中；经第三偏振分束器9与第二偏振分束器5两次反射后，该路光被衰减为光源能量10-10，因此与杂光耦合后可以对杂光进行评估。经第二偏振分束器5透射的来自第三偏振分束器9的杂光将被第二吸光锥6吸收。当光陷阱11放置到光路中时，吸收第三偏振分束器9反射的偏振光，单光子探测器13探测待测望远镜1产生的后向散射杂光；光陷阱11从光路移除时，单光子探测器13探测待测望远镜1产生的后向散射杂光与本地光，以对杂光效果评估；通过调整快反镜8测量不同视场杂散光；通过调整四分之一波片2角度以测量杂散光的退偏情况。

Claims (7)

1.一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，包括待测望远镜(1)、四分之一波片(2)、偏振分束器、吸光锥、半波片(7)、快反镜(8)、激光光源(10)、光陷阱(11)、光耦合器(12)及单光子探测器(13)，其特征在于：
所述的激光光源(10)产生的激光由第三偏振分束器(9)分两路正交的偏振光，垂直偏振光经快反镜(8)反射后，由半波片(7)调制为水平偏振光，并经第三偏振分束器(3)反射后，由四分之一波片(2)调制产生测试光源，测试光源进入待测望远镜(1)后，产生后向杂散光，后向杂散光经过四分之一波片(2)后，由第一偏振分束器(3)及第二偏振分束器(5)透射，透射光与第二偏振分束器(5)反射的水平偏振光由光耦合器(12)耦合进单光子探测器(13)中；光陷阱(11)放置到光路中时，吸收第三偏振分束器(9)反射的偏振光，单光子探测器(13)探测待测望远镜(1)产生的后向散射杂光；光陷阱(11)从光路移除时，单光子探测器(13)探测待测望远镜(1)产生的后向散射杂光及本地光，可对干涉型望远镜杂光效果进行评估；通过调整快反镜(8)测量不同视场杂散光；所述的四分之一波片(2)光轴旋转到不用角度时，检测杂散光退偏情况；第一吸光锥(4)和第二吸光锥(6)分别吸收第一偏振分数器(3)和第二偏振分数器(5)透射杂光。
2.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述激光光源(10)采用脉冲激光器，其波长与待测望远镜(1)设计波长相匹配，能量低于各器件能量阈值，能量的10-10在单光子探测器(13)动态范围内，重复频率不高于单光子探测器工作频率。
3.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述的第一偏振分束器(3)、第二吸光锥(6)及第三偏振分束器(9)工作波长与激光光源匹配，在望远镜视场范围内偏振消光比优于100000：1，透射水平偏振光，反射垂直偏振光。
4.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述光陷阱(11)在激光光源波长下吸收效率优于10-5,所述第一吸光锥(4)及第二吸光锥(6)吸收效率优于10-5，光陷阱与吸光锥宽高大于等于第一偏振分束器(3)、第二吸光锥(6)及第三偏振分束器(9)的宽高。
5.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述单光子探测器(13)灵敏度高于激光光源能量的10-10，中心波长与激光光源(10)匹配。
6.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述快反镜(8)动态范围与望远镜(1)视场匹配。
7.根据权利要求1所述的一种激光收发共孔径望远镜后向杂散光检测装置，其特征在于，所述耦合器(12)波长与激光光源(10)波长匹配，耦合效率高于50％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117353812A (zh) * 2023-09-28 2024-01-05 北京极光星通科技有限公司 一种兼容保偏、非保偏的双向无信标激光通信装置及方法

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