[發(fā)明專利]一種利用能量法快速測(cè)量光纖出射焦比的系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710128176.9
• 申請(qǐng)日: 2017-03-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107063634B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫偉民;麻鎮(zhèn)宇;閆奇;蔣航;耿濤;吳宇;趙蓉;張懷智;陳旭東;金夕人;趙麗媛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M11/00
• 分類號(hào): G01M11/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明屬于光纖特性測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種利用能量法快速測(cè)量光纖出射焦比的系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)定光纖出射焦比對(duì)應(yīng)的能量占比，然后測(cè)量光纖出射總能量，再利用光闌限制透射光強(qiáng)，使光闌透射光強(qiáng)與光纖出射總光強(qiáng)之比為特定能量占比；沿光纖出射光軸移動(dòng)光闌位置，并對(duì)應(yīng)改變光闌孔徑，將光闌孔徑和位置進(jìn)行線性擬合，直線的斜率即為設(shè)定能量占比的光纖出射焦比。本發(fā)明的一種利用能量法快速測(cè)量光纖出射焦比的系統(tǒng)，不用計(jì)算機(jī)圖像處理的方法對(duì)光斑大小尺寸進(jìn)行擬合，也不用測(cè)量CCD與光纖出射端的距離，直接利用能量法，通過(guò)控制光闌孔徑和位置，獲得任意設(shè)定能量占比的光纖出射焦比。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖特性測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種利用能量法快速測(cè)量光纖出射焦比的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

光纖出射焦比對(duì)于光纖天文光譜測(cè)量至關(guān)重要。現(xiàn)今望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)朝著大口徑、大視場(chǎng)的方向發(fā)展，口徑越大，探測(cè)的宇宙空間就越深，觀測(cè)到的天體也就越多。在早期的天文觀測(cè)中，望遠(yuǎn)鏡一次只能觀測(cè)一個(gè)目標(biāo)天體光譜，自從80年代光纖應(yīng)用到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，可以同時(shí)觀測(cè)多個(gè)目標(biāo)的多目標(biāo)光譜觀測(cè)技術(shù)使得觀測(cè)效率大大提高。一般多目標(biāo)光譜觀測(cè)主要是獲得目標(biāo)的一維光譜信息，而光纖利用到積分視場(chǎng)單元(IFU)技術(shù)中，可以獲得三維光譜，即同時(shí)獲得目標(biāo)的兩維位置信息和一維光譜信息。光纖成為一種重要的光傳輸介質(zhì)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)具有十分關(guān)鍵的作用。來(lái)自于星空的光非常薄弱，星光聚焦到望遠(yuǎn)鏡的焦平面上，然后耦合進(jìn)到光纖再傳輸?shù)焦庾V儀或其他光學(xué)系統(tǒng)中。有效引導(dǎo)星光進(jìn)入光譜天文望遠(yuǎn)鏡的光纖中，提高光的利用率對(duì)光譜分析有非常重要的意義。在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，光纖數(shù)量可以達(dá)到幾百甚至幾千根的量級(jí)，因此光纖的傳輸特性和各項(xiàng)參數(shù)都對(duì)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)有重要影響。衡量光纖傳光質(zhì)量最重要的因素有兩個(gè)：一個(gè)是光纖的光譜透過(guò)率，還有一個(gè)就是光纖的焦比退化特性。

光纖光譜透過(guò)率直接影響光纖的傳輸效率，天文觀測(cè)中的波段范圍覆蓋廣，因此需要光纖能滿足在寬波段的廣譜高傳輸率。除了光纖本身的透過(guò)率，光纖入射耦合與光纖出射能量的利用也會(huì)影響到傳輸效率。天文中對(duì)光纖入射光和出射光的描述引入了焦比的概念。對(duì)于一個(gè)理想凸透鏡而言，當(dāng)平行光平行于主光軸入射，出射光匯聚到焦點(diǎn)，此時(shí)出射光的焦比F定義為透鏡的焦距f與透鏡的口徑D的比值：

F/#＝f/D

在光纖中，定義光纖出射端的焦比為光纖端與接收面的距離和接收面上光斑直徑的比值。

F/#＝L/D

理想狀態(tài)的直光纖，以一定張角入射的光，會(huì)以相同的張角出射，即入射焦比和出射焦比相同。而實(shí)際光纖出射光因?yàn)楣饫w的彎曲、受力、工藝缺陷等導(dǎo)致的出射張角會(huì)比入射光的張角大，即在距光纖端面相同距離位置處，出射光斑的直徑會(huì)比入射光斑大，那么出射焦比要比入射焦比小，這種效應(yīng)稱為焦比退化(focal ratio degradation,FRD)。光纖焦比退化對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡的主要影響可以分為兩部分，一部分是能量利用率的降低，另一部分是望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成本的增加。由于焦比退化表現(xiàn)為增大光纖出射光斑的直徑，這使得光斑更發(fā)散，降低能量密度的分布，在相同口徑的條件下，能收集到的光能量會(huì)進(jìn)一步降低，同時(shí)由于天光本身很微弱，焦比退化會(huì)進(jìn)一步降低利用率。另一方面，焦比退化會(huì)增大出射光的發(fā)散角，使得后端光譜儀的設(shè)計(jì)以及成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和成本增加。對(duì)光纖的焦比退化特性進(jìn)行研究有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)光譜分析系統(tǒng)。

光纖入射焦比的確定比較方便，可以直接利用入射端孔徑光闌距離光纖入射端距離和孔徑光闌直徑之比來(lái)確定。而光纖出射端的出射焦比測(cè)量相對(duì)比較復(fù)雜，因?yàn)槌錾涔忸愃朴诟咚狗植迹獍邲](méi)有嚴(yán)格的邊界，因此如何確定光斑大小也是一項(xiàng)重要工作。從實(shí)際出發(fā)，對(duì)于出射光的能量利用主要集中在能量密度較大的區(qū)域，因此在實(shí)驗(yàn)中或者望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)中也主要考慮出射光斑能有效利用的光斑大小。目前國(guó)內(nèi)外慣例是采用能量占比(Encircled Energy，即以光斑能量質(zhì)心為圓心，以一定半徑的圓內(nèi)所包含的能量占光斑總能量的比值。如圓內(nèi)能量占光斑總能量90％，則為EE90，以此類推)來(lái)測(cè)量光纖出射焦比。通常選取EE90或EE95，既可以比較逼近的計(jì)算出射光斑的實(shí)際光斑大小，而且還能有效降低測(cè)量系統(tǒng)暗電流和噪聲的影響。