同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供的是一种同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统及测量方法。本发明专利技术通过在入射端加入分光镜，从而监控入射光强的波动；在平行光之后加入光阑，可以控制入射焦比；在出射端加入分光镜，通过控制可调光阑的透射光强与不通过光阑的透射光强等于能量占比，可以计算出射焦比，实验过程简单。用来实时测量光纤的透射率以及光纤的出射焦比。

【技术实现步骤摘要】
同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统及测量方法
本专利技术涉及的是一种天文光纤的测量装置，具体为一种同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统。
技术介绍
当今的望远镜朝着大口径方向发展，口径越大，探测到的宇宙空间就越深，观测到的天体也就越多。LAMOST(largeskyareamulti-objectfiberspectroscopytelescope)是我国已经建成的有效通光口径4m、焦距20m、视场4.47度的中星仪式的反射施密特望远镜，望远镜采用4000根光纤，是目前国际上天文光谱获取效率最高的望远镜。光纤将望远镜焦面上4000个目标天体的光传输到光谱仪进行天体的光谱分析。光纤传输特性的好坏，直接影响到上述天文观测的精准度。衡量光纤传光质量最重要的因素主要有两个：一个是光纤的传输效率，另一个就是光纤的焦比退化特性。现阶段已经提出的测定光纤损耗的方法有三种：(1)剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法，利用光功率计先测出输出光功率；然后在距离输出端2-3m的地方将光纤剪断，测量输出光功率；最后输出功率与输入功率之比即为光纤损耗。这种方法测量精度高，但是具有破坏性。(2)插入损耗法本质上也是切断法，只是在切断处用光纤耦合连接头来代替。这种方法不需要破坏光纤，适合于现场使用，但是测量精确度和重复性受到耦合接头的精确度和重复性的影响。(3)背向散射法是利用光时域反射仪(OpticalTimeDomainReflectometer，简称OTDR)来测量光纤损耗，它可以方便的对光纤进行无破坏性的测量。目前大部分技术手段是对光纤传输损耗进行测量，例如公开号为CN103616165A的专利文件中，提供了一种光纤测量
基于背向散射法的光纤传输损耗系数测量装置以及测量方法。很多公开文献都是对光纤自身损耗进行测量，而本专利技术要测量天文光纤综合性的损耗，称为光纤透射率。天文光纤透射率是决定星光传输质量好坏的重要因素之一，因此对天文光纤透射率的准确测量具有非常重要的意义。测量光纤整体透射率时，需要测出光纤输入端的光功率Pin和输出光功率,Pout得到光纤的透射率α。光纤的焦比退化是衡量光纤在天文光纤观测中一个很重要的光传输特性。理想的情况下，不考虑光纤的衰减时，输入焦比与输出焦比相同。现实情况下，光纤微弯曲、宏弯曲、芯径的变化、以及端面处理不当等因素，都有可能导致输出焦比变小，出射光斑发散，有效利用能量减少，杂散光增加。透镜的焦比定义为：当一束平行于主光轴的光线入射至一个理想凸透镜，出射光汇聚于焦点，则出射光的焦比F/#为透镜的焦距f与透镜的通光口径D之比。F/#＝f/D(2)在光纤中，入射焦比为会聚透镜到光纤端面距离L1与经透镜通光口径D1之比，出射焦比为光纤端与接收面的距离L2与接收面上光斑直径D2之比。F/#in＝L1/D1(3)F/#out＝L2/D2(4)在现实测量中，光纤出射的光会由于光纤端面的粗糙、光纤弯曲、应力以及工艺缺陷导致出射光张角大于入射光张角，出射焦比小于入射焦比，这种现象称为光纤焦比退化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够综合性地真实反映系统传光性能的同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统。本专利技术的目的还在于提供一种基于本专利技术的同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统的测量方法。本专利技术的同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统包括准直光源、光纤透射率测量系统和焦比测试系统，具体构成为：准直光源1发出的光通过控制入射焦比的光阑2、第一透镜3、第一分光镜6后，一部分反射光进入第二透镜4，然后会聚于第一探测器5；另一部分透射光进入放置在第一五维调节架7和第二五维调节架9上的被测光纤8，在被测光纤8出射端放置第二分光镜10，经过第二分光镜10反射的光通过第五透镜15会聚进入第三探测器16；经过第二分光镜10透射的光经过可调光阑11控制出射焦比，经过可调光阑11的光进入第四透镜12会聚于第二探测器14，第一至第三探测器通过数据处理单元17读取功率数。基于本专利技术的同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统的测量方法为：第一分光镜6实时观测入射光强的波动，第一分光镜的分光比为K1,I1为第一分光镜6的反射光强。根据公式Iin＝K1·I1，计算出进入被测光纤的光强Iin；在被测光纤出射端后面的第二分光镜10的分光比为K2，经过第二分光镜10透射的光通过第四透镜12会聚进入第二探测器14，记录光强为I2，在不加可调光阑11时，第二分光镜10的反射光为I3，透射光为I2，通过公式I2＝K2·I3，计算出被测光纤出射端总光强Iout，Iout＝I2+I3＝K2·I3+I3，则被测光纤透射率:α＝Iout/Iin＝I3(K2+1)/I1K1；在出射焦比测量中，通过接收器记录光斑大小，记录接收器位置，连续多次记录后，将光斑大小与接收器位置线性拟合求出出射焦比，根据定义出射焦比通过被测光纤出射端与接收面的距离和接收面上光斑直径的比值获得，通过测量获得被测光纤出射端与接收面的距离L2和接收面上光斑直径D，根据公式F/#out＝L2/D2，计算出射焦比。出射焦比测量中，经过第二分光镜10透射的光通过可调光阑11控制出射焦比，出射端第二分光镜10用来补偿光强的波动，第二探测器14、第三探测器16实时观测两束光的光强，在不加可调光阑11时，确定透射光与反射光光强之比K2，设定能量占比值EE，沿透射光光轴方向放置可调光阑11，控制可调光阑11的孔径大小使光阑透射光强I4与之前未加可调光阑的透射光强I2之比为设定的能量占比，移动可调光阑位置，重新控制光阑孔径，使透射光满足I4＝I2·EE＝K2·I3·EE，将光阑位置与光阑直径进行线性拟合，拟合直线的斜率即为出射焦比。可以利用电动光阑控制和读取光阑直径，可以用电动位移平台控制和读取光阑相距透镜的距离。本专利技术提供了一种能同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统。该系统在测试天文光纤的传输损耗时，能够综合性地真实反映系统传光性能。本专利技术的同时测量天文光纤透射率以及焦比退化的系统，包括三部分，准直光源、光纤透射率测量系统、焦比测试系统。准直光源产生一束平行光，作为测试光源。选择激光作为光源，在其后通过可调光阑实现对入射焦比的控制，通过另一个透镜，会聚入射光。光纤透射率测量系统以及焦比退化测量系统基本组件为：分光镜、可调光阑、位移平台、透镜、探测器。根据测量要求的不同，激光扩束准直系统中加入可调光阑，用来控制入射焦比，透镜用来形成会聚光斑。在测量光纤透射率时，在光纤入射端通过加入分光镜，来实时监测计算出光纤入射的功率值，实现光源波动补偿。出射焦比测试系统，不加可调光阑时，测量分光镜透射光的光强与反射光的光强，得到两个光强的比值，这个比值只与分光镜的光强比有关，与出射光强无关。设定一个能量占比(EncircledEnergy，以光斑能量质心为圆心，以一定半径的圆内所包含的能量占光斑总能量的比值。例如圆内能量占光斑总能量90％，记为EE90)。在光纤出射端后加入可调光阑，通过调节可调光阑的孔径，使其透射光强与出射光强达到之前确定的能量占比，测量光阑和光纤出射端的距离与光阑孔径之比，即为出射焦比。出射焦比测试系统，在光纤出射端后放置CCD，每次移动一定的距离，通过CCD记录相对应光斑大小，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统，包括准直光源、光纤透射率测量系统和焦比测试系统，其特征是具体构成为：准直光源(1)发出的光通过控制入射焦比的光阑(2)、第一透镜(3)、第一分光镜(6)后，一部分反射光进入第二透镜(4)，然后会聚于第一探测器(5)；另一部分透射光进入放置在第一五维调节架(7)和第二五维调节架(9)上的被测光纤(8)，在被测光纤(8)出射端放置第二分光镜(10)，经过第二分光镜(10)反射的光通过第五透镜(15)会聚进入第三探测器(16)；经过第二分光镜(10)透射的光经过可调光阑(11)控制出射焦比，经过可调光阑(11)的光进入第四透镜(12)会聚于第二探测器(14)，第一至第三探测器通过数据处理单元(17)读取功率数。

【技术特征摘要】
1.一种同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统，包括准直光源、光纤透射率测量系统和焦比测试系统，其特征是具体构成为：准直光源(1)发出的光通过控制入射焦比的光阑(2)、第一透镜(3)、第一分光镜(6)后，一部分反射光进入第二透镜(4)，然后会聚于第一探测器(5)；另一部分透射光进入放置在第一五维调节架(7)和第二五维调节架(9)上的被测光纤(8)，在被测光纤(8)出射端放置第二分光镜(10)，经过第二分光镜(10)反射的光通过第五透镜(15)会聚进入第三探测器(16)；经过第二分光镜(10)透射的光经过可调光阑(11)控制出射焦比，经过可调光阑(11)的光进入第四透镜(12)会聚于第二探测器(14)，第一至第三探测器通过数据处理单元(17)读取功率数。2.一种基于权利要求1所述的同时测量天文光纤透射率和焦比退化的系统的测量方法，其特征是：第一分光镜(6)实时观测入射光强的波动，第一分光镜的分光比为K1,I1为第一分光镜(6)的反射光强。根据公式Iin＝K1·I1，计算出进入被测光纤的光强Iin；在被测光纤出射端后面的第二分光镜(10)的分光比为K2，经过第二分光镜(10)透射的光通过第四透镜(12)会聚进入第二探测器(14)，记录光强为I2，在不加可调光阑(11)时，第二分光镜(10)的反射光为I3，透射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琼，蒋航，闫奇，孙伟民，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23