FG5絕對重力儀激光耦合器調節優化方法概述

　　摘要：介紹了FG5型絕對重力儀激光器的耦合器選擇方案，并提出了調節優化方法，對#181、#235兩臺激光耦合器進行調節試驗，結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)創刊于1978年，由黑龍江省測繪學會主辦。反映測繪學科及地理空間信息科學前沿理論和技術并指導地理信息工作者從事科研、開發、生產的技術性、知識性刊物，主要刊載測繪高新技術、地球空間信息和地理信息系統的前沿理論與技術;地理信息系統工程建設的技術總結與經驗交流;測繪行業管理與改革的先進經驗;測繪生產技術交流、科研成果推廣及教學經驗介紹等;測繪學和地理信息學中的理論探討;國內外地理信息學術動態及測繪科技報道與介紹;測繪科普知識;測繪儀器新發展等。榮獲連續多年獲中國測繪協會期刊獎。

　　地球重力場是近地空間最基本的物理場之一，反映了地球物質分布及其隨時間和空間的變化。地球重力場信息對戰略武器的命中精度、資源勘探、測繪地理信息、地震預報研究等領域有重大作用[1]。FG5型絕對重力儀是依據激光干涉和自由落體設計的高精度儀器，標稱精度±2×10-8ms-2[2]，目前，通過該型儀器進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型碘穩頻He-Ne激光器(WEO100)，它的波長為633nm，提供1×10-11(1s)[3]的頻率穩定度。自然資源部第一大地測量隊2001年引進美國的FG5/214絕對重力儀，并配備有#181、#235、#250三臺激光器。通過使用發現激光器每半年就會發生故障，特別是激光器的耦合器(fiberport)故障頻率最高，一旦發生故障或者耦合效率降低，調節難度非常高，使得國內絕對重力儀用戶在激光耦合器方面的維護嚴重依賴外方廠家，每次返廠維修都需要半年到一年時間，成本十分高昂。為擺脫對外方的的技術依賴，2018年11月，自然資源部第一大地測量隊對#181、#235兩臺激光器的耦合器進行了調節試驗。

　　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，結構緊湊，具有5個自由度加旋轉調節、高分辨率的可重復對準機制，高度的熱穩定性。

　　內置的透鏡具有5個對準自由度:X、Y方向的線性對準、俯仰和偏轉角度對準[4](Zθ調節器)、同時使用俯仰和偏轉可調節Z軸。非球面透鏡在X、Y方向的行程為±0.7mm，每轉分辨率約300μm,Z軸方向的行程范圍為±1.0mm，每轉分辨率約200μm，此外，外殼外面的3個平頭螺絲可旋轉接頭，用于保偏光纖的對準，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，耦合器在出廠時已經經過校準;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，因為單膜保偏光纖可以減少高功率光源的背反射;其次，光纖的出廠參數(尤其是NA與MFD)也是耦合器選擇的重要依據。正確的選擇耦合器主要考慮以下參數:

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

　　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激光耦合器帶內置非球面透鏡。

　　5)耦合器內置透鏡的NA值(數值孔徑)。是用來描述激光入射進入光纖端口時，允許激光在光纖中全反射傳輸的最大孔徑角。耦合器內置透鏡的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光纖中空間的最大直徑，如要實現最佳耦合，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)計算結果的耦合器。

　　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、調節優化方法

　　該方法結合了廠家給定的調節方案[7,8,9]，并通過大量實踐與試驗得到。

　　1)斷開光纖與耦合器的連接，手動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，具體位置關系如圖3所示。

　　2)預對準。逆時針轉動3個Zθ調節器，直到Zθ調節器不再移動TiltPlate(如圖2所示)。分別順時針輕輕轉動3個Zθ調節器，直到轉動時首次遇到阻力并停止轉動。這個過程最好反復進行操作，直到確認預對準過程完成，否則會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，另外一端對準光功率計探頭，反復調節X、Y調節器，直到功率計測量的光功率值為最大。在這個過程中X、Y調節器轉動的幅度可能會較大，注意不能將X、Y調節器擰得太松或者太緊，否則會損壞內部提供反向力的彈簧支撐，增加調節過程中遲滯的風險，不利于連續反復調節，進而影響耦合器的使用壽命。

　　4)順時針或逆時針旋轉3個Zθ調節器，使每個Zθ旋轉調節后輸出的光功率值最大;如果不論順時針還是逆時針調節某一個Zθ，光功率值都降低，那么就越過該調節器。重復該步驟，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，重復以上第4步驟，直到光功率達到最大值。此時，Zθ調節器的靈敏度會越來越高。

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

　　7)繼續依次順時針(逆時針)旋轉每一個Zθ調節器10°，重復操作4)……，直到找到最大光功率值。

　　8)經過以上調節，理論上如果耦合效率達到80%左右，即認為耦合器調節完成。耦合效率為光纖輸出端激光能量值與激光進入耦合器之前能量值的比值。

　　耦合器與相關部件的關系示意如圖3所示，耦合器內置透鏡、激光束、光纖在調節過程中的位置變化示意如圖4所示。

　　圖4耦合器調節過程

　　4、調節試驗

　　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使用FG5/214絕對重力儀進行野外絕對重力測量，配套使用#235激光器，通過近8個月的使用，該臺激光器已無法滿足FG5/214絕對重力測量條件(光纖輸出能量應達到15μW以上)，光纖輸出端激光能量值僅有6μW，而激光進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、溫濕度變化等原因造成該臺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，調節X、Y發現對提高耦合效率沒有作用，考慮為耦合器內部X、Y方向提供反向力的彈簧片損壞，因此通過第2節方法重新選購了耦合器。

　　4.2試驗結果

　　由于#235激光器的耦合器只是耦合效率降低，因此，沒有必要進行上述第3節全部調節步驟，只需操作第4)—7)步驟。但是如果將耦合器拆卸下來，執行全部調節步驟，會增加不必要的工作量，而且耦合器的調節對操作者的熟練程度及耐心都是極大的考驗。#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，需要進行第3節全部調節步驟。兩臺激光器的耦合器調節試驗結果見表1。

　　表1耦合器調節試驗結果

　　調節后#235與#181兩臺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%。但是在實際調節中達到80%的耦合效率是很困難的，由于長期重復使用很可能會導致耦合器的性能下降，此外，操作者的熟練程度及外界環境都與耦合效率密切相關。

　　5、結束語

　　#235、#181兩臺激光器的激光耦合效率明顯提高，調節后均滿足絕對重力測量條件，說明調節優化方法是有效的，#181激光器的耦合器選購是合理的，對國內FG5絕對重力儀用戶有借鑒意義。

　　參考文獻：

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

　　[2]錢進,劉忠有,張小平,等.一種新型的碘穩定633nmHe-Ne激光系統[J].計量學報,2008,29(1):10-13.

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

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