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探讨FG5绝对重力仪激光耦合器调节优化
摘要：介绍了FG5型绝对重力仪激光器的耦合器选择方案，并提出了调节优化方法，对#181、#235两台激光耦合器进行调节试验，结果表明该方法是有效的。
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地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化。地球重力场信息对战略武器的命中精度、资源勘探、测绘地理信息、地震预报研究等领域有重大作用[1]。FG5型绝对重力仪是依据激光干涉和自由落体设计的高精度仪器，标称精度±2×10-8ms-2[2]，目前，通过该型仪器进行绝对重力测量是获取地球重力场信息的主要手段。
FG5绝对重力仪使用的激光器为Winters Electro Optics公司的100型碘稳频He-Ne激光器(WEO100)，它的波长为633nm，提供1×10-11(1s)[3]的频率稳定度。自然资源部第一大地测量队2001年引进美国的FG5/214绝对重力仪，并配备有#181、#235、#250三台激光器。通过使用发现激光器每半年就会发生故障，特别是激光器的耦合器(fiberport)故障频率最高，一旦发生故障或者耦合效率降低，调节难度非常高，使得国内绝对重力仪用户在激光耦合器方面的维护严重依赖外方厂家，每次返厂维修都需要半年到一年时间，成本十分高昂。为摆脱对外方的的技术依赖，2018年11月，自然资源部第一大地测量队对#181、#235两台激光器的耦合器进行了调节试验。
1、耦合器简介
FG5绝对重力仪激光器的耦合器用于将激光耦合到单膜保偏光纤。它包含一块非球面透镜，接头为FC/APC;外形小巧，结构紧凑，具有5个自由度加旋转调节、高分辨率的可重复对准机制，高度的热稳定性。
内置的透镜具有5个对准自由度:X、Y方向的线性对准、俯仰和偏转角度对准[4](Zθ调节器)、同时使用俯仰和偏转可调节Z轴。非球面透镜在X、Y方向的行程为±0.7mm，每转分辨率约300μm,Z轴方向的行程范围为±1.0mm，每转分辨率约200μm，此外，外壳外面的3个平头螺丝可旋转接头，用于保偏光纤的对准，如图1、图2所示。
图1耦合器正面
图2耦合器背面
2、选购方案
一般情况下，耦合器在出厂时已经经过校准;为保证激光的最大耦合效率，首先，耦合器与单膜保偏光纤配套使用，因为单膜保偏光纤可以减少高功率光源的背反射;其次，光纤的出厂参数(尤其是NA与MFD)也是耦合器选择的重要依据。正确的选择耦合器主要考虑以下参数:
1)激光波长。为已知值(633nm)，由激光器出厂时给定，激光波长必须在耦合器内置透镜的增透膜范围之内。
2)光纤类型。WEO100激光器光纤为单膜保偏光纤。
3)光纤接头。WEO100激光器光纤接头为FC/APC接头。
4)所需透镜类型。WEO100激光耦合器带内置非球面透镜。
5)耦合器内置透镜的NA值(数值孔径)。是用来描述激光入射进入光纤端口时，允许激光在光纤中全反射传输的最大孔径角。耦合器内置透镜的NA小于或者等于光纤的NA，光纤的NA值由厂家给定。
6)MFD是光纤的模场直径。是用来描述激光在光纤中传输所能占据光纤中空间的最大直径，如要实现最佳耦合，聚焦光束的光斑必须小于单模光纤的MFD。光纤的模场直径由厂家给定。
7)透镜的焦距。如果没有精确匹配的耦合器，可以选择焦距小于式(1)计算结果的耦合器。
式中，f是透镜焦距;MFD为光纤模场直径;λ是输入光波长;D是入射在透镜上的光斑直径[5,6]。
3、调节优化方法
该方法结合了厂家给定的调节方案[7,8,9]，并通过大量实践与试验得到。
1)断开光纤与耦合器的连接，手动平移耦合器在安装板的位置，使激光束完全透过耦合器的中心位置后固定耦合器，具体位置关系如图3所示。
2)预对准。逆时针转动3个Zθ调节器，直到Zθ调节器不再移动TiltPlate(如图2所示)。分别顺时针轻轻转动3个Zθ调节器，直到转动时首次遇到阻力并停止转动。这个过程最好反复进行操作，直到确认预对准过程完成，否则会影响后期激光耦合效率。
图3耦合器示意图
3)将多膜光纤一端插入耦合器接头，另外一端对准光功率计探头，反复调节X、Y调节器，直到功率计测量的光功率值为最大。在这个过程中X、Y调节器转动的幅度可能会较大，注意不能将X、Y调节器拧得太松或者太紧，否则会损坏内部提供反向力的弹簧支撑，增加调节过程中迟滞的风险，不利于连续反复调节，进而影响耦合器的使用寿命。
4)顺时针或逆时针旋转3个Zθ调节器，使每个Zθ旋转调节后输出的光功率值最大;如果不论顺时针还是逆时针调节某一个Zθ，光功率值都降低，那么就越过该调节器。重复该步骤，直到激光功率值为最大。
5)将多膜光纤替换为激光器出厂的单膜保偏光纤，重复以上第4步骤，直到光功率达到最大值。此时，Zθ调节器的灵敏度会越来越高。
6)当每一个Zθ调节器顺时针或者逆时针旋转都无法提高光功率值时，很可能激光光斑已经位于光纤入射端口，但是无法聚焦，需要调节Z轴。在此过程中选定一个特定方向，在后续调节中保持这个顺序，例如:Zθ1→Zθ2→Zθ3→Zθ1……将3个Zθ调节器按特定顺序依次向顺时针方向旋转10°(1/36圈)，重复操作4);如果得到的光功率值大于第5步调节后的功率值，那么继续依次向顺时针方向旋转10°，重复操作4);否则，依次向逆时针方向旋转每一个Zθ调节器20°，重复操作4)。
7)继续依次顺时针(逆时针)旋转每一个Zθ调节器10°，重复操作4)……，直到找到最大光功率值。
8)经过以上调节，理论上如果耦合效率达到80%左右，即认为耦合器调节完成。耦合效率为光纤输出端激光能量值与激光进入耦合器之前能量值的比值。
耦合器与相关部件的关系示意如图3所示，耦合器内置透镜、激光束、光纤在调节过程中的位置变化示意如图4所示。
图4耦合器调节过程
4、调节试验
4.1故障描述与诊断
1)2018年3月至10月自然资源部第一大地测量队使用FG5/214绝对重力仪进行野外绝对重力测量，配套使用#235激光器，通过近8个月的使用，该台激光器已无法满足FG5/214绝对重力测量条件(光纤输出能量应达到15μW以上)，光纤输出端激光能量值仅有6μW，而激光进入耦合器之前的能量值为48μW。由于野外绝对重力测量的震动、温湿度变化等原因造成该台激光器的耦合器耦合效率降低。
2)#181激光器于2018年底无法满足FG5/214绝对重力测量条件，光纤输出端激光能量值仅有11μW，而激光进入耦合器之前的能量值为55μW，诊断为耦合器耦合效率降低，调节X、Y发现对提高耦合效率没有作用，考虑为耦合器内部X、Y方向提供反向力的弹簧片损坏，因此通过第2节方法重新选购了耦合器。
4.2试验结果
由于#235激光器的耦合器只是耦合效率降低，因此，没有必要进行上述第3节全部调节步骤，只需操作第4)—7)步骤。但是如果将耦合器拆卸下来，执行全部调节步骤，会增加不必要的工作量，而且耦合器的调节对操作者的熟练程度及耐心都是极大的考验。#181激光器的耦合器为新购置，故安装之后光纤输出端激光功率值为零，因此，需要进行第3节全部调节步骤。两台激光器的耦合器调节试验结果见表1。
表1耦合器调节试验结果
调节后#235与#181两台激光器光纤输出端激光能量值分别为34μW、42μW，能够满足绝对重力仪对激光器的测量要求，耦合效率接近80%。但是在实际调节中达到80%的耦合效率是很困难的，由于长期重复使用很可能会导致耦合器的性能下降，此外，操作者的熟练程度及外界环境都与耦合效率密切相关。
5、结束语
#235、#181两台激光器的激光耦合效率明显提高，调节后均满足绝对重力测量条件，说明调节优化方法是有效的，#181激光器的耦合器选购是合理的，对国内FG5绝对重力仪用户有借鉴意义。
参考文献：
[1]田蔚,张为民,钱进,等.NIM稳频激光器在FG5-112绝对重力仪上的测试分析[J].大地测量与地球动力学,2015,35(6):1057-1060.
[2]钱进,刘忠有,张小平,等.一种新型的碘稳定633nmHe-Ne激光系统[J].计量学报,2008,29(1):10-13.
[3]李建国.FG5绝对重力仪在工程中的应用[D].郑州:解放军信息工程大学,2012.
[4]吴琼.高精度绝对重力仪关键技术研究[D].北京:中国地震局地球物理研究所,2011.
任敏拴,何志堂,康胜军,赵丕,姜奔.FG5绝对重力仪激光耦合器调节优化方法概述[J].测绘与空间地理信息,2020(10):185-187.
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期刊名称：测绘工程
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主管单位：黑龙江省教育厅
主办单位：黑龙江工程学院,中国测绘地理信息学会
出版地方：黑龙江
专业分类：科学
国际刊号：1006-7949
国内刊号：23-1394/TF
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创刊时间：1992年
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2020-10-24
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