FG5絕對重力儀激光耦合器調(diào)節(jié)優(yōu)化方法概述

　　摘要：介紹了FG5型絕對重力儀激光器的耦合器選擇方案，并提出了調(diào)節(jié)優(yōu)化方法，對#181、#235兩臺(tái)激光耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法是有效的。

　　本文源自測繪與空間地理信息,2020(10):185-187.《測繪與空間地理信息》(月刊)創(chuàng)刊于1978年，由黑龍江省測繪學(xué)會(huì)主辦。反映測繪學(xué)科及地理空間信息科學(xué)前沿理論和技術(shù)并指導(dǎo)地理信息工作者從事科研、開發(fā)、生產(chǎn)的技術(shù)性、知識(shí)性刊物，主要刊載測繪高新技術(shù)、地球空間信息和地理信息系統(tǒng)的前沿理論與技術(shù);地理信息系統(tǒng)工程建設(shè)的技術(shù)總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)交流;測繪行業(yè)管理與改革的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn);測繪生產(chǎn)技術(shù)交流、科研成果推廣及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)介紹等;測繪學(xué)和地理信息學(xué)中的理論探討;國內(nèi)外地理信息學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及測繪科技報(bào)道與介紹;測繪科普知識(shí);測繪儀器新發(fā)展等。榮獲連續(xù)多年獲中國測繪協(xié)會(huì)期刊獎(jiǎng)。

　　地球重力場是近地空間最基本的物理場之一，反映了地球物質(zhì)分布及其隨時(shí)間和空間的變化。地球重力場信息對戰(zhàn)略武器的命中精度、資源勘探、測繪地理信息、地震預(yù)報(bào)研究等領(lǐng)域有重大作用[1]。FG5型絕對重力儀是依據(jù)激光干涉和自由落體設(shè)計(jì)的高精度儀器，標(biāo)稱精度±2×10-8ms-2[2]，目前，通過該型儀器進(jìn)行絕對重力測量是獲取地球重力場信息的主要手段。

　　FG5絕對重力儀使用的激光器為Winters Electro Optics公司的100型碘穩(wěn)頻He-Ne激光器(WEO100)，它的波長為633nm，提供1×10-11(1s)[3]的頻率穩(wěn)定度。自然資源部第一大地測量隊(duì)2001年引進(jìn)美國的FG5/214絕對重力儀，并配備有#181、#235、#250三臺(tái)激光器。通過使用發(fā)現(xiàn)激光器每半年就會(huì)發(fā)生故障，特別是激光器的耦合器(fiberport)故障頻率最高，一旦發(fā)生故障或者耦合效率降低，調(diào)節(jié)難度非常高，使得國內(nèi)絕對重力儀用戶在激光耦合器方面的維護(hù)嚴(yán)重依賴外方廠家，每次返廠維修都需要半年到一年時(shí)間，成本十分高昂。為擺脫對外方的的技術(shù)依賴，2018年11月，自然資源部第一大地測量隊(duì)對#181、#235兩臺(tái)激光器的耦合器進(jìn)行了調(diào)節(jié)試驗(yàn)。

　　1、耦合器簡介

　　FG5絕對重力儀激光器的耦合器用于將激光耦合到單膜保偏光纖。它包含一塊非球面透鏡，接頭為FC/APC;外形小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，具有5個(gè)自由度加旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、高分辨率的可重復(fù)對準(zhǔn)機(jī)制，高度的熱穩(wěn)定性。

　　內(nèi)置的透鏡具有5個(gè)對準(zhǔn)自由度:X、Y方向的線性對準(zhǔn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)角度對準(zhǔn)[4](Zθ調(diào)節(jié)器)、同時(shí)使用俯仰和偏轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)Z軸。非球面透鏡在X、Y方向的行程為±0.7mm，每轉(zhuǎn)分辨率約300μm,Z軸方向的行程范圍為±1.0mm，每轉(zhuǎn)分辨率約200μm，此外，外殼外面的3個(gè)平頭螺絲可旋轉(zhuǎn)接頭，用于保偏光纖的對準(zhǔn)，如圖1、圖2所示。

　　圖1耦合器正面

　　圖2耦合器背面

　　2、選購方案

　　一般情況下，耦合器在出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn);為保證激光的最大耦合效率，首先，耦合器與單膜保偏光纖配套使用，因?yàn)閱文けＦ饫w可以減少高功率光源的背反射;其次，光纖的出廠參數(shù)(尤其是NA與MFD)也是耦合器選擇的重要依據(jù)。正確的選擇耦合器主要考慮以下參數(shù):

　　1)激光波長。為已知值(633nm)，由激光器出廠時(shí)給定，激光波長必須在耦合器內(nèi)置透鏡的增透膜范圍之內(nèi)。

　　2)光纖類型。WEO100激光器光纖為單膜保偏光纖。

　　3)光纖接頭。WEO100激光器光纖接頭為FC/APC接頭。

　　4)所需透鏡類型。WEO100激光耦合器帶內(nèi)置非球面透鏡。

　　5)耦合器內(nèi)置透鏡的NA值(數(shù)值孔徑)。是用來描述激光入射進(jìn)入光纖端口時(shí)，允許激光在光纖中全反射傳輸?shù)淖畲罂讖浇恰ｑ詈掀鲀?nèi)置透鏡的NA小于或者等于光纖的NA，光纖的NA值由廠家給定。

　　6)MFD是光纖的模場直徑。是用來描述激光在光纖中傳輸所能占據(jù)光纖中空間的最大直徑，如要實(shí)現(xiàn)最佳耦合，聚焦光束的光斑必須小于單模光纖的MFD。光纖的模場直徑由廠家給定。

　　7)透鏡的焦距。如果沒有精確匹配的耦合器，可以選擇焦距小于式(1)計(jì)算結(jié)果的耦合器。

　　式中，f是透鏡焦距;MFD為光纖模場直徑;λ是輸入光波長;D是入射在透鏡上的光斑直徑[5,6]。

　　3、調(diào)節(jié)優(yōu)化方法

　　該方法結(jié)合了廠家給定的調(diào)節(jié)方案[7,8,9]，并通過大量實(shí)踐與試驗(yàn)得到。

　　1)斷開光纖與耦合器的連接，手動(dòng)平移耦合器在安裝板的位置，使激光束完全透過耦合器的中心位置后固定耦合器，具體位置關(guān)系如圖3所示。

　　2)預(yù)對準(zhǔn)。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器，直到Zθ調(diào)節(jié)器不再移動(dòng)TiltPlate(如圖2所示)。分別順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器，直到轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)首次遇到阻力并停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)過程最好反復(fù)進(jìn)行操作，直到確認(rèn)預(yù)對準(zhǔn)過程完成，否則會(huì)影響后期激光耦合效率。

　　圖3耦合器示意圖

　　3)將多膜光纖一端插入耦合器接頭，另外一端對準(zhǔn)光功率計(jì)探頭，反復(fù)調(diào)節(jié)X、Y調(diào)節(jié)器，直到功率計(jì)測量的光功率值為最大。在這個(gè)過程中X、Y調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度可能會(huì)較大，注意不能將X、Y調(diào)節(jié)器擰得太松或者太緊，否則會(huì)損壞內(nèi)部提供反向力的彈簧支撐，增加調(diào)節(jié)過程中遲滯的風(fēng)險(xiǎn)，不利于連續(xù)反復(fù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響耦合器的使用壽命。

　　4)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器，使每個(gè)Zθ旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)后輸出的光功率值最大;如果不論順時(shí)針還是逆時(shí)針調(diào)節(jié)某一個(gè)Zθ，光功率值都降低，那么就越過該調(diào)節(jié)器。重復(fù)該步驟，直到激光功率值為最大。

　　5)將多膜光纖替換為激光器出廠的單膜保偏光纖，重復(fù)以上第4步驟，直到光功率達(dá)到最大值。此時(shí)，Zθ調(diào)節(jié)器的靈敏度會(huì)越來越高。

　　6)當(dāng)每一個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都無法提高光功率值時(shí)，很可能激光光斑已經(jīng)位于光纖入射端口，但是無法聚焦，需要調(diào)節(jié)Z軸。在此過程中選定一個(gè)特定方向，在后續(xù)調(diào)節(jié)中保持這個(gè)順序，例如:Zθ1→Zθ2→Zθ3→Zθ1……將3個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器按特定順序依次向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)10°(1/36圈)，重復(fù)操作4);如果得到的光功率值大于第5步調(diào)節(jié)后的功率值，那么繼續(xù)依次向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)10°，重復(fù)操作4);否則，依次向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)每一個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器20°，重復(fù)操作4)。

　　7)繼續(xù)依次順時(shí)針(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)每一個(gè)Zθ調(diào)節(jié)器10°，重復(fù)操作4)……，直到找到最大光功率值。

　　8)經(jīng)過以上調(diào)節(jié)，理論上如果耦合效率達(dá)到80%左右，即認(rèn)為耦合器調(diào)節(jié)完成。耦合效率為光纖輸出端激光能量值與激光進(jìn)入耦合器之前能量值的比值。

　　耦合器與相關(guān)部件的關(guān)系示意如圖3所示，耦合器內(nèi)置透鏡、激光束、光纖在調(diào)節(jié)過程中的位置變化示意如圖4所示。

　　圖4耦合器調(diào)節(jié)過程

　　4、調(diào)節(jié)試驗(yàn)

　　4.1故障描述與診斷

　　1)2018年3月至10月自然資源部第一大地測量隊(duì)使用FG5/214絕對重力儀進(jìn)行野外絕對重力測量，配套使用#235激光器，通過近8個(gè)月的使用，該臺(tái)激光器已無法滿足FG5/214絕對重力測量條件(光纖輸出能量應(yīng)達(dá)到15μW以上)，光纖輸出端激光能量值僅有6μW，而激光進(jìn)入耦合器之前的能量值為48μW。由于野外絕對重力測量的震動(dòng)、溫濕度變化等原因造成該臺(tái)激光器的耦合器耦合效率降低。

　　2)#181激光器于2018年底無法滿足FG5/214絕對重力測量條件，光纖輸出端激光能量值僅有11μW，而激光進(jìn)入耦合器之前的能量值為55μW，診斷為耦合器耦合效率降低，調(diào)節(jié)X、Y發(fā)現(xiàn)對提高耦合效率沒有作用，考慮為耦合器內(nèi)部X、Y方向提供反向力的彈簧片損壞，因此通過第2節(jié)方法重新選購了耦合器。

　　4.2試驗(yàn)結(jié)果

　　由于#235激光器的耦合器只是耦合效率降低，因此，沒有必要進(jìn)行上述第3節(jié)全部調(diào)節(jié)步驟，只需操作第4)—7)步驟。但是如果將耦合器拆卸下來，執(zhí)行全部調(diào)節(jié)步驟，會(huì)增加不必要的工作量，而且耦合器的調(diào)節(jié)對操作者的熟練程度及耐心都是極大的考驗(yàn)。#181激光器的耦合器為新購置，故安裝之后光纖輸出端激光功率值為零，因此，需要進(jìn)行第3節(jié)全部調(diào)節(jié)步驟。兩臺(tái)激光器的耦合器調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

　　表1耦合器調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

　　調(diào)節(jié)后#235與#181兩臺(tái)激光器光纖輸出端激光能量值分別為34μW、42μW，能夠滿足絕對重力儀對激光器的測量要求，耦合效率接近80%。但是在實(shí)際調(diào)節(jié)中達(dá)到80%的耦合效率是很困難的，由于長期重復(fù)使用很可能會(huì)導(dǎo)致耦合器的性能下降，此外，操作者的熟練程度及外界環(huán)境都與耦合效率密切相關(guān)。

　　5、結(jié)束語

　　#235、#181兩臺(tái)激光器的激光耦合效率明顯提高，調(diào)節(jié)后均滿足絕對重力測量條件，說明調(diào)節(jié)優(yōu)化方法是有效的，#181激光器的耦合器選購是合理的，對國內(nèi)FG5絕對重力儀用戶有借鑒意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]田蔚,張為民,錢進(jìn),等.NIM穩(wěn)頻激光器在FG5-112絕對重力儀上的測試分析[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2015,35(6):1057-1060.

　　[2]錢進(jìn),劉忠有,張小平,等.一種新型的碘穩(wěn)定633nmHe-Ne激光系統(tǒng)[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2008,29(1):10-13.

　　[3]李建國.FG5絕對重力儀在工程中的應(yīng)用[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué),2012.

　　[4]吳瓊.高精度絕對重力儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國地震局地球物理研究所,2011.