CN116753835A - 一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法，涉及光学元件调装和高精度激光测距领域，包括：马赫‑曾德尔干涉仪中的光纤准直器和玻璃安装座紫外胶合连接构成底面平整的一体化准直器，且一体化准直器和马赫‑曾德尔干涉仪中玻璃基底的目标位置紫外胶合连接；还包括：用于调节马赫‑曾德尔干涉仪中的消偏振分光片和45度反射镜位置的调节支架；调节支架包括用于支撑调节部的支撑装置，调节部包括：六维光学调节架，其包括：上层板；下层板，上层板与下层板之间通过周向围设的多个螺丝钉螺接；旋转环设于下层板底部；金属圆柱接杆固定设于旋转环的底部。本发明能够搭建出高稳定性高精度的准单片紧凑型干涉仪。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件调装和高精度激光测距领域，特别涉及一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法。
背景技术
高精度的紧凑型干涉仪在各种精密测量领域有着巨大的需求，例如引力波探测、惯性传感和振动测量，这些任务均要求干涉仪的灵敏度在1Hz以下达到亚纳米甚至皮米级，这就要求干涉仪的光机结构稳定性必须非常高。
现有技术中，传统的干涉仪常使用金属镜架搭建，材料一般为铝合金、不锈钢、因瓦合金。
它们的热膨胀系数分别约为2.3×10-5/K,1.5×10-5/K,1.6×10-6/K。此外，镜架采用螺钉，弹簧等锁紧装置连接，来对光学元件的位置进行调整和固定，这种结构的机械刚度(杨氏模量)和热稳定性较差，这种问题在FP腔的PDH(PoundDrever-Hall)稳频中同样存在。为了追求更高的精度和稳定性，干涉仪往往采用准单片设计，即光学元件与基底通过粘接等方式构成一个整体。以下两种方法的目的就是为了达到准单片设计：
方法一：通过范德华力(vanderWallsforces)将光学元件连接在基底上，这需要光学元件和基底的两个接触面高度抛光，这种技术方法的主要缺点是结构的强度低且整体稳定性低，这使得它不适用于工业计量和空间科学等领域。
方法二：硅基键合，它被成功运用在飞米级精度的激光干涉测量任务(LISAPathfinder)的光学平台上。其基本原理是利用化学反应使光学元件与基底之间的Si-O键断裂并重新连接，从而获得非常高的机械刚度和热稳定性。但是这种方法的缺点在于化学反应的时间非常短，仅留几十秒的时间用于光学元件的位置和姿态调整，所以技术难度大、废品率高并且成本高，此外该方法也需要光学元件和基底的两个接触面高度抛光。
总之，以上描述的方法因为连接方式不同，在搭建干涉仪的过程中，无法做到使结构强度与整体稳定性好的同时考虑到技术难度与成本的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法，可以解决现有技术中，存在考虑技术难度的同时无法搭建出稳定性好以及精度高的干涉仪的问题。
本发明实施例提供一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，包括：所述马赫-曾德尔干涉仪中的光纤准直器和玻璃安装座紫外胶合连接构成底面平整的一体化准直器，且所述一体化准直器和所述马赫-曾德尔干涉仪中玻璃基底的目标位置紫外胶合连接；还包括：用于调节所述马赫-曾德尔干涉仪中的消偏振分光片和45度反射镜位置的调节支架；所述调节支架包括用于支撑调节部的支撑装置，所述调节部包括：六维光学调节架，其包括：上层板；下层板，所述上层板与所述下层板之间通过周向围设的多个螺丝钉螺接，且通过拧动螺丝钉以调节所述上层板与所述下层板不同位置处的间距；旋转环，其设于所述下层板底部；金属圆柱接杆，其固定设于所述旋转环的底部，用于通过胶合连接方式连接消偏振分光片或45度反射镜。
进一步地，所述金属圆柱接杆通过顶部的橡胶内螺母固定在所述旋转环的底部。
进一步地，所述支撑装置包括：机械件底座；接杆支架，其垂直设于所述机械件底座顶部，且底部与所述机械件底座顶部固定相连；柱式接杆，其垂直设于所述接杆支架顶部，且底部与所述接杆支架顶部固定相连；L型金属转接架，其设于所述柱式接杆顶部，且横向端底部与所述柱式接杆顶部固定相连；金属延长接杆，其横向设于所述L型金属转接架另一竖向端的外侧壁上，且一端与所述L型金属转接架固定相连。
进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪包括：玻璃基底；玻璃安装座，其底部与所述玻璃基底顶部固定相连；光纤准直器，其设于所述玻璃安装座中央部分，且与所述玻璃安装座固定相连；多个消偏振分光片，其排列设于所述光纤准直器前端的正前方，多个所述消偏振分光片与所述光纤准直器之间存在锐角夹角，多个所述消偏振分光片底部与所述玻璃基底顶部固定相连；多个所述45度反射镜，其与多个消偏振分光片平行设置，且靠近所述光纤准直器的所述45度反射镜的镜面与多个所述消偏振分光片的镜面平行，另一个所述45度反射镜的镜面延长线与多个所述消偏振分光片的镜面延长线交叉；多个单象限光电探测器，其设于靠近多个所述消偏振分光片外侧，且与最远端的所述消偏振分光片之间形成90度夹角。
进一步地，多个所述消偏振分光片以及多个所述45度反射镜与所述玻璃基底之间使用紫外胶合连接。
进一步地，搭建方法包括以下步骤：将马赫-曾德尔干涉仪中的光纤准直器紫外胶合在玻璃安装座中，从而获得底面平整的一体化准直器；通过定位板并使用紫外胶将一体化准直器固定在玻璃基底的目标位置上；将多个消偏振分光片以及多个45度反射镜分别固定在调节支架的调节部上，通过调节支架对消偏振分光片以及45度反射镜的位置和姿态进行调节，并对调节后的消偏振分光片以及45度反射镜用紫外胶进行固化于马赫-曾德尔干涉仪中对应位置。
进一步地，包括以下步骤：通过多个单象限光电探测器来监测形干涉信号；通过干涉信号的干涉对比度来对用于合束的多个消偏振分光片以及多个45度反射镜位置与姿态进行调节；当干涉信号的对比度达到最大时，用紫外胶分别对消偏振分光片以及45度反射镜胶合固定以搭建准单片紧凑型干涉仪。
本发明实施例提供一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
六维光学调节架在特定位置固定了五枚螺丝钉和旋转环，通过旋转调节螺丝钉和旋转环的运动即可实现六个自由度的调节。调节支架使用时，将消偏振分光片以及45度反射镜分别固定在调节支架的中心，转动调整支撑装置的L型金属转接架与金属延长接杆并且拧动螺丝钉，使其进行三个平动和三个旋转运动，就能调节消偏振分光片以及45度反射镜运动时的六个自由度，即姿态与位置。使用自制的调节支架进行干涉仪的搭建，由于调节支架增加了消偏振分光片以及45度反射镜的调节能力，所以能够降低加工精度要求和前期位置定位指标。自制的调节支架调动消偏振分光片以及45度反射镜去搭建干涉仪的过程中，需要紫外胶合的方式将消偏振分光片以及45度反射镜固定在玻璃基底上，而紫外胶合工艺可以通过紫外光来控制胶合固化，更容易操作，热稳定性和机械强度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法中调节支架主视图；
图2为本发明实施例提供的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法中马赫-曾德尔干涉仪俯视图。
附图标记：
1-机械件底座，2-接杆支架，3-柱式接杆，4-L型金属转接架，5-金属延长接杆，6-六维光学调节架，7-金属圆柱接杆，8-玻璃安装座，9-光纤准直器，10-消偏振分光片，11-45度反射镜，12-单象限光电探测器，13-玻璃基底。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参见图1～2，本发明实施例提供了一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法，该基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法包括：首先，将马赫-曾德尔干涉仪中的光纤准直器9紫外胶合在玻璃安装座8中，从而获得底面平整的一体化准直器。接着，通过定位板并使用紫外胶将一体化准直器固定在玻璃基底13的目标位置上。最后，将多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11分别固定在调节支架的调节部上，然后分别对消偏振分光片10以及45度反射镜11的位置和姿态进行初步调节，接着用紫外胶进行固化，再通过单象限光电探测器来监测形干涉信号，观察干涉信号的干涉对比度来对用于合束的多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11位置与姿态进行精细调节，当干涉信号的对比度达到最大时，用紫外胶胶合固定，即可搭建一套准单片紧凑型干涉仪。
进一步地，调节支架还包括：机械件底座1。接杆支架2垂直设于机械件底座1顶部，且底部与机械件底座1顶部固定相连。柱式接杆3垂直设于接杆支架2顶部，且底部与接杆支架2顶部固定相连。L型金属转接架4设于柱式接杆3顶部，且横向端底部与柱式接杆3顶部固定相连。金属延长接杆5横向设于L型金属转接架4另一竖向端的外侧壁上，且一端与L型金属转接架4固定相连。六维光学调节架6横向设于金属延长接杆5的另一端，且一侧壁与金属延长接杆5一侧壁固定相连。金属圆柱接杆7设于六维光学调节架6中旋转环的底部中央位置。自制的六维光学调节架6的工作原理为：在干涉仪的搭建过程中，将多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11分别固定在自制的调节支架上，这样就可以对多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11的位置与姿态进行精细调节，搭建的过程中观察干涉信号，对多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11分别进行微调使干涉信号达到最佳状态。六维光学调节架6在特定位置固定了五枚螺丝钉和旋转环，转动调整支撑装置的L型金属转接架4与金属延长接杆5并且拧动螺丝钉，使其进行三个平动和三个旋转运动，即可实现六个自由度的调节。
进一步地，金属圆柱接杆7通过橡胶内螺母固定在六维光学调节架6中旋转环的底部中央位置，金属圆柱接杆7下方将使用紫外胶分别固定多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11。
进一步地，马赫-曾德尔干涉仪还包括：玻璃安装座8，光纤准直器9，消偏振分光片10，45度反射镜11，单象限光电探测器12，玻璃基底13。马赫-曾德尔干涉仪的工作原理为：1064nm的激光被分为两条路径传播，两条路径的光程不一致，这样就可以形成大臂长差差的干涉信号，通过该干涉信号可对激光频率噪声和温度波动等进行测量。光纤准直器9尾纤采用保偏光纤，分光片和分光棱镜为消偏振分光片10，光学元器件与玻璃安装座8之间使用紫外胶粘接。
所述光纤准直器9尾纤采用保偏光纤，所述分光片和分光棱镜为消偏振分光片10，所述光学元器件与玻璃安装座8之间使用紫外胶粘接。
一个具体实施例如下：
该方法包含光路设计、多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11的定位和指向调整方案，以及紫外胶合工艺。其中，光路设计包含了一体化准直器制造，用于提供结构且指向稳定的激光源。多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11的定位需画出干涉仪中所用元件具体准确的位置图，并制作定位板便于后续调装。多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11的指向调整利用了自制的调节支架对光学元件的姿态和指向进行精准调节。紫外胶合工艺被用于固定调装后的多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11，使整个干涉仪保持最佳干涉状态，可增加装置的鲁棒性与整体性。
本发明给出的准单片紧凑型紫外(Ultraviolet--UV)胶合技术可结合光路优化设计，使得干涉仪对环境噪声具有良好的共模抑制能力。搭建出的准单片干涉仪拥有高稳定性、高精度等优点，可被广泛应用于引力波探测、惯性传感、测振仪、地震计等领域。
首先，通过图1自制的调节支架中的移动机械件底座1和接杆支架2来调节固定位置，移动柱式接杆3、L型金属转接架4、金属延长接杆5的相对位置来对六维光学调节架6的上下前后进行调节，最后将每个消偏振分光片10以及45度反射镜11通过少许紫外胶固定在金属圆柱接杆7上，来对多个消偏振分光片10以及多个45度反射镜11进行三个平动和两个旋转自由度的姿态调节，可实现亚毫米和亚弧度级的定位调整。
其次，图2为马赫-曾德尔干涉仪的示意图，均包含多个光学元件，其中负责干涉合束的最后一个元件(一般为分束器)，如消偏振分光片10和消偏振分光镜的定位和指向尤为关键，它直接影响干涉对比度，要求非常高的定位和指向精度而其他光学元件要求相对较低。因此，在我们的光学平台搭建过程中，非关键光学元件借助小口径光阑进行调整，主要是为了保证所有的激光束都在同一平面内，而通过单象限探测器12来观察干涉对比度作为反馈来调整最终的干涉光束。
最后，关键技术是紫外胶合。与光学接触键合和硅基键合相比，紫外胶合更加方便，适用于对机械刚度要求不高的场合。首先，利用自制的调节支架将目标光学元件设置在与玻璃基底有较大间隙的正确位置和姿态。接着用特制的胶棒将紫外胶均匀涂抹在(注意用量)玻璃基底上。然后降低目标光学元件以贴合玻璃基底的上表面，同时保持其姿态和位置。最后用紫外灯照射光学元件，直到胶水固化，重复这个过程，直到所有的光学元件以合适的姿态胶合在设计好的位置上。
利用上述技术，制作了一个经典的准单片紧凑型干涉仪：大不等臂长的马赫-曾德尔干涉仪，可用于噪声监测(包括激光频率噪声、温度波动等)。传统的马赫-曾德尔干涉仪的臂长是相同的。为了实现非等臂干涉，我们的马赫-曾德尔干涉仪装置对光路设计做了微小的改动，如图2所示。激光器从左边注入，分为两路。上方短光路激光直接传播，下方长光路激光经两块反射镜11两次反射后与上光路的激光发生干涉。最后通过一对单象限光电探测器12，平衡读取干涉信号。根据图2光路设计，不等臂长约为100mm。玻璃基底和光学元件的材料为熔融石英，热膨胀系数约为0.5×10-6/K。制成的准单片紧凑型马赫-曾德尔干涉仪的整体尺寸为100mm×100mm×30mm，实现了80％以上的干涉对比度。
外差干涉仪探头的工作原理为：两束1064nm激光存在10KHz的频率差，其中一束光作为参考光入射到参考反射镜上，另一束光作为测量光入射到目标反射镜上，来监测目标物的运动，最后这两束光发生干涉形成两路干涉信号，利用这两路干涉信号可以测出目标物的运动信息。
本发明提出的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法，可以搭建出用于噪声监测(包括激光频率噪声、温度波动等)的大不等臂长马赫-曾德尔(Mach-Zender)零差干涉仪和具有皮米级和纳弧度级位移测量的外差干涉仪探头，未来可运用与各种精密测量领域中，例如引力波探测、惯性传感和振动测量等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，包括：马赫-曾德尔干涉仪，其特征在于：
所述马赫-曾德尔干涉仪中的光纤准直器(9)和玻璃安装座(8)紫外胶合连接构成底面平整的一体化准直器，且所述一体化准直器和所述马赫-曾德尔干涉仪中玻璃基底(13)的目标位置紫外胶合连接；
还包括：用于调节所述马赫-曾德尔干涉仪中的消偏振分光片(10)和45度反射镜(11)位置的调节支架；所述调节支架包括用于支撑调节部的支撑装置，所述调节部包括：
六维光学调节架(6)，其包括：
上层板；
下层板，所述上层板与所述下层板之间通过周向围设的多个螺丝钉螺接，且通过拧动螺丝钉以调节所述上层板与所述下层板不同位置处的间距；
旋转环，其设于所述下层板底部；
金属圆柱接杆(7)，其固定设于所述旋转环的底部，用于通过胶合连接方式连接消偏振分光片(10)或45度反射镜(11)。
2.如权利要求1所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，其特征在于，所述金属圆柱接杆(7)通过顶部的橡胶内螺母固定在所述旋转环的底部。
3.如权利要求1所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，其特征在于，所述支撑装置包括：
机械件底座(1)；
接杆支架(2)，其垂直设于所述机械件底座(1)顶部，且底部与所述机械件底座(1)顶部固定相连；
柱式接杆(3)，其垂直设于所述接杆支架(2)顶部，且底部与所述接杆支架(2)顶部固定相连；
L型金属转接架(4)，其设于所述柱式接杆(3)顶部，且横向端底部与所述柱式接杆(3)顶部固定相连；
金属延长接杆(5)，其横向设于所述L型金属转接架(4)另一竖向端的外侧壁上，且一端与所述L型金属转接架(4)固定相连。
4.如权利要求1所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪包括：
玻璃基底(13)；
玻璃安装座(8)，其底部与所述玻璃基底(13)顶部固定相连；
光纤准直器(9)，其设于所述玻璃安装座(8)中央部分，且与所述玻璃安装座(8)固定相连；
多个消偏振分光片(10)，其排列设于所述光纤准直器(9)前端的正前方，多个所述消偏振分光片(10)与所述光纤准直器(9)之间存在锐角夹角，多个所述消偏振分光片(10)底部与所述玻璃基底(13)顶部固定相连；
多个45度反射镜(11)，其与多个所述消偏振分光片(10)平行设置，且靠近所述光纤准直器(9)的所述45度反射镜(11)的镜面与多个所述消偏振分光片(10)的镜面平行，另一个所述45度反射镜(11)的镜面延长线与多个所述消偏振分光片(10)的镜面延长线交叉；
多个单象限光电探测器(12)，其设于靠近多个所述消偏振分光片(10)外侧，且与最远端的所述消偏振分光片(10)之间形成90度夹角。
5.如权利要求4所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪，其特征在于，多个所述消偏振分光片(10)以及多个所述45度反射镜(11)与所述玻璃基底(13)之间使用紫外胶合连接。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪的搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：
将马赫-曾德尔干涉仪中的光纤准直器(9)紫外胶合在玻璃安装座(8)中，从而获得底面平整的一体化准直器；
通过定位板并使用紫外胶将一体化准直器固定在玻璃基底(13)的目标位置上；
将多个消偏振分光片(10)以及多个45度反射镜(11)分别固定在调节支架的调节部上，通过调节支架对消偏振分光片(10)以及45度反射镜(11)的位置和姿态进行调节，并对调节后的消偏振分光片(10)以及45度反射镜(11)用紫外胶进行固化于马赫-曾德尔干涉仪中对应位置。
7.如权利要求6所述的一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪的搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过多个单象限光电探测器(12)来监测形干涉信号；
通过干涉信号的干涉对比度来对用于合束的多个消偏振分光片(10)以及多个45度反射镜(11)位置与姿态进行调节；当干涉信号的对比度达到最大时，用紫外胶分别对消偏振分光片(10)以及45度反射镜(11)胶合固定以搭建准单片紧凑型干涉仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310717531.1A CN116753835A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310717531.1A CN116753835A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法 |
Publications (1)
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| CN116753835A true CN116753835A (zh) | 2023-09-15 |
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ID=87960324
Family Applications (1)
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| CN202310717531.1A Pending CN116753835A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种基于紫外胶合的准单片紧凑型干涉仪及其搭建方法 |
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2023
- 2023-06-16 CN CN202310717531.1A patent/CN116753835A/zh active Pending
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