CN202141813U - 一种光路调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光路调节装置，包括激光器、分光镜、水银盘、反射镜、自准直仪，以及容纳和固定所述激光器、分光镜、水银盘、反射镜和自准直仪的支架，所述支架设有调节地脚；所述分光镜设置于所述支架中部，并与所述支架的底板呈45°倾斜放置；所述反射镜设置于所述分光镜的上方，所述水银盘设置于分光镜的下方，其水银面与反射镜下表面平行；所述激光器用于向所述分光镜发出激光，所述激光与所述支架的底板相平行，且所述激光与所述分光镜呈45度；所述自准直仪设置于所述分光镜远离激光器的一侧，用于接收从所述分光镜得到的激光。本实用新型用于调整激光干涉绝对重力仪测量光束的垂直性，消除由此引入的系统偏差。

Description

一种光路调节装置

技术领域

本实用新型涉及用于调节激光干涉绝对重力仪干涉测量光路中测量光束垂直性的装置。

背景技术

重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，高精度重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域的基础，同时也是国家精密计量、飞行器导航和导弹制导等不可或缺的战略数据。激光干涉绝对重力仪是目前绝对重力仪中的一种主流设计方式，是获取微伽级（重力单位在厘米克秒制中的计量单位是厘米/秒²，为了纪念意大利人伽利略，又把厘米/秒²称为伽）绝对重力数据的一种重要的观测设备。

目前下落法激光干涉绝对重力仪中对落体自由下落距离的测量是基于迈克尔逊干涉测量原理的。由于落体下落时接近于自由落体，如果光线入射落体时与水平面有一个夹角                                                

，则测量的重力加速度

与真实的重力加速度

之间的关系可以用下式估算（参见：Ch Rothleitner, S Svitlov, H Merimeche, et al.. 2009. Development of new free-fall absolute gravimeters. Metrologia. 46:283-297）：

                              （1）

当

很小时，（1）式后半部分成立，由此可以计算出，当夹角为（，伽，，微伽）时引起的测量误差为

。因此，在测量过程中需要尽量减小

，以保证测量精度，这里就需要一个精确的光线垂直性调节的机构。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光路调节装置，实现对激光干涉绝对重力仪干涉测量光路测量光束的垂直性精确调节。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种光路调节装置，包括激光器、分光镜、水银盘、反射镜、自准直仪，以及容纳和固定所述激光器、分光镜、水银盘、反射镜和自准直仪的支架，所述支架设有调节地脚；所述分光镜设置于所述支架中部，并与所述支架的底板呈45°倾斜放置；所述反射镜设置于所述分光镜的上方；所述水银盘位于所属分光镜的下方，水银盘的水银面与所述反射镜的反射面平行，且所述反射镜下表面的反射光束入射在所述水银面的中央；所述激光器用于向所述分光镜发出激光，所述激光与所述支架的底板相平行，且所述激光与所述分光镜呈45度；所述自准直仪设置于所述分光镜远离激光器的一侧，用于接收从所述分光镜得到的激光。

本实用新型的有益效果是：在支架上放置水银盘，在调节支架的地脚以调节支架倾斜度的同时，水银盘的反光面（水银盘的水银面）可以始终处于水平状态，从而可以保证入射到反射镜的测量光束与水平面垂直，保证测量的精确性，同时可以对激光器发射的激光经过分光镜后得到的两束光线的平行性进行调节，进而使得分光镜另一侧的两束光线能够相互重叠形成干涉条纹，以进行测量。其中，自准直仪用于测量分光镜另一侧的两束光线是否重叠。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所属反射镜为角锥棱镜。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用角锥棱镜可以使得角锥棱镜的放置倾斜度不会影响整个调整装置的调整精度。

进一步，所述激光器发出的激光通过至少一个平面反射镜的反射后到达所述分光镜。如，激光器可以于分光镜的入射光线方向平行放置，利用两个平面反射镜将激光器发射的激光反射到分光镜。

采用上一步方案的有益效果是，可以进一步缩小干涉测量系统的体积，便于安装和携带。

进一步，所述激光器发出的激光通过两个平面反射镜的反射后到达所述分光镜。

采用上述进一步方案的有益效果是，因为一般为了减小干涉仪的体积，将激光器放置在分光镜后，与分光镜入射光线方向平行，因此至少需要两个平面反射镜才能将光线反射180度入射分光镜。

进一步，所述激光器射向分光镜的光路上设有准直光管。

采用上一步方案的有益效果是，可以获得平行光束，同时可以滤除杂散光，保证整个干涉测量装置的测量精度。

进一步，所述自准直仪和分光镜之间设有反射镜，所述分光镜远离激光器的一侧得到的两束的激光通过所述反射镜射向所述自准直仪。比如利用反射镜将分光镜后的两束光反射90度进入自准直仪。

采用上一步方案的有益效果是，可以将准直仪放置在干涉测量系统外部，这样在光线垂直性调整的时候，不需要移除干涉仪内分光镜后面的相关光学元件与电子单元。

附图说明

图1为一种激光干涉绝对重力仪结构示意图；

图2为图1中的测量光路示意图；

图3为本实用新型光路调节装置的结构示意图；

图4为本实用新型光路调节装置的光线调节示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

LS、准直光管，BS、分光镜，M1、反射镜，M2、参考棱镜，P、水银盘，Z、自准直仪。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1、图2所示，激光干涉绝对重力仪中，高稳频激光器发射的激光束经过两次反射后进入准直光管LS，经过LS调整后得到一束平行光束0，入射分光镜BS，产生测量光束L1和参考光束L3。其中，光束0从分光镜BS上表面反射成为测量光束L1，经反射镜M1（激光干涉绝对重力仪中采用角锥棱镜作为落体上的光反射元件）反射成为测量光束L2并入射分光镜BS上表面；光束0从分光镜BS上表面入射，从分光镜BS下表面透射成参考光束L3，参考光束L3经过参考棱镜M2反射回分光镜BS的下表面。测量光束L2经过分光镜BS透射以及参考光束L3经过分光镜BS反射后，测量光束L2和参考光束L3重合并产生干涉，成为重合后的干涉光束1，该干涉光束1由光电接收器R接收后再转换为电信号，以进行重力加速度的测量。该光路中，要求测量光束L1和测量光束L2与水平面垂直，才能保证测量的精确性，同时测量光束L2和参考光束L3必须重合并产生干涉形成干涉光束1才能够实现对重力加速度进行测量。因此，对于激光干涉绝对重力仪进行调整，以保证测量光束L1和测量光束L2与水平面相垂直并且使得测量光束L2和参考光束L3重合并产生干涉形成光束1，对于重力加速度的测量至关重要。

如图3所示，本实用新型的光路调节装置主要包括激光器、分光镜BS、水银盘P、反射镜M1、自准直仪Z，也可以包括上述准直光管LS以及光路需要的反射镜，还包括容纳和固定激光器、准直光管LS、分光镜BS、水银盘P、反射镜M1和自准直仪Z以及反射镜的支架，该支架可以为激光干涉绝对重力仪的本体，激光器、准直光管LS、分光镜BS、水银盘P、反射镜M1和自准直仪Z以及反射镜均固定在该本体上，地脚可以直接设置在激光干涉绝对重力仪（支架）的底部；分光镜BS设置于支架的中部，并与支架的底板呈45°倾斜放置；水银盘P设置于分光镜BS的下方；反射镜M1（由于调整时落体至于真空中，无法调整其位置，故需要利用一块专门的棱镜来调整，该棱镜与落体结构相同）设置于分光镜BS的上方，反射镜M1的下表面与水银盘P的水银面平行（由于角锥棱镜自身性质决定了其入射光和出射光平行，故这里的平行没有严格的要求）；准直光管LS用于接受激光器发射的激光束，经过准直光管LS内部光学系统后，滤除杂散光，出射平行光束0，入射分光镜BS上表面，该激光与支架的底板相平行，且该激光与分光镜BS上该激光的入射面呈45度；自准直仪Z设置于分光镜BS远离激光器的一侧，用于接收从分光镜BS透过的激光。光路中，激光器发出的激光可以通过1个或多个平面反射镜进行反射，再射向分光镜BS。比如利用两个平面反射镜将激光器发射的激光反射到分光镜BS上，从而可以进一步缩小干涉测量系统的体积，便于安装和携带。在自准直仪Z和分光镜BS之间还可以设置反射镜，分光镜BS远离激光器的一侧得到的两束的激光通过反射镜射向自准直仪Z，这样可以将自准直仪放置在干涉测量系统外部，这样在光线垂直性调整的时候，不需要移除干涉仪内分光镜BS后面的相关光学元件与电子单元。

由于水银盘P的表面可以始终保持水平状态，使用时，通过调节地脚使得光路发生细微变化，就可以调节测量光束L1和测量光束L2与水平面的垂直状态以及测量光束L2和参考光束L3重合并产生干涉形成光束1。通过自准直仪Z对测量光束L2和参考光束L3的接收和判断就可以断定测量光束L2和参考光束L3是否能够重合。反射镜M1采用角锥棱镜，它自身的性质决定了它的反射光线可以与入射光线平行出射，及可以保证测量光束L1和测量光束L2相平行，这样更利于测量。

参照图4，本实用新型进行光路调节的原理如下。

图4中，ΔABC为直角三角形，根据反射定律，反射角等于入射角，可知光线0在分光镜BS上表面反射，在ΔABC内存在关系：

                              （1）

反射镜M1是角锥棱镜，其自身性质决定了入射光心与出射光线平行，故有：

                                           （2）

由（1）式、（2）式可知：

                               （3）

反射镜M1下表面与水银盘P的水银面平行，可知

                                             （4）

由反射定律可知：

                                             （5）

<4 = <5（5）

由（3）、（4）、（5）式可知：

                                （6）

在ΔDEG中，DF为底边垂线，由于分光镜BS与底板成45°放置，则有：

                     （7）

DG为分光镜BS下表面的一条法线，由反射定律可知：

                                              （8）

分光镜BS可以认为是一块平行平板，则可知透射光线与入射光线平行，则有：

   

进而可知：

   

又

                      （9）

由（7）、（8）、（9）式可知：

                               （10）

又

                                         （11）

由（10）、（11）式可知：

       

由此可知光线1与光线2的夹角为

  

由此可见，入射光线0经过上述光路调节装置后光线1和光线3的夹角是入射光线0与水平线夹角的两倍。因此，通过调光路调节装置，使得光线1和光线3的夹角为零，则就保证了入射光线0的水平性，从而保证了入射反射镜M1的光线3的垂直性。

这个调节可以将光线1、光线3射入自准直仪Z，或者通过一个反射镜将光线1、光线3反射入自准直仪Z中，分别找到光线1和光线3的汇聚后的光斑，然后可以通过调节干涉测量系统的地脚，使得光线3的汇聚光斑与光线1的汇聚光斑重合。这样就将置零，从而实现了对光线3的垂直性调节。

调节地脚时，光线0，分光镜BS的相对位置不变，而反射镜M1在光线调整过程中是放置在与干涉仪底边刚性连接的上盖上的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光路调节装置，其特征在于：包括激光器、分光镜、水银盘、反射镜、自准直仪，以及容纳和固定所述激光器、分光镜、水银盘、反射镜和自准直仪的支架，所述支架设有调节地脚；

所述分光镜设置于所述支架中部，并与所述支架的底板呈45°倾斜放置；

所述反射镜设置于所述分光镜的上方；

所述水银盘设置于所述分光镜的下方，水银盘的水银面与所述反射镜下表面平行，且所述反射镜下表面的反射光束入射在所述水银面的中央；

所述激光器用于向所述分光镜发出激光，所述激光与所述支架的底板相平行，且所述激光与所述分光镜呈45度；

所述自准直仪设置于所述分光镜远离激光器的一侧，用于接收从所述分光镜得到的激光。

2.根据权利要求1所述的光路调节装置，其特征在于：所述反射镜为角锥棱镜。

3.根据权利要求1所述的光路调节装置，其特征在于：所述激光器发出的激光通过至少一个平面反射镜的反射后到达所述分光镜。

4.根据权利要求3所述的光路调节装置，其特征在于：所述激光器发出的激光通过两个平面反射镜的反射后到达所述分光镜。

5.根据权利要求1所述的光路调节装置，其特征在于：所述激光器射向分光镜的光路上设有准直光管。

6.根据权利要求1所述的光路调节装置，其特征在于：所述自准直仪和分光镜之间设有反射镜，所述分光镜远离激光器的一侧得到的两束的激光通过所述反射镜射向所述自准直仪。

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