本發(fā)明涉及光學(xué)精密測量，更具體地，涉及一種基于低相干干涉的后向散射測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、望遠(yuǎn)鏡作為天琴星間激光干涉測量的關(guān)鍵載荷之一，主要用于提升光束在星間的傳輸效率。為實(shí)現(xiàn)對0.1mhz～1hz頻段引力波信號的探測，針對17萬公里的星間激光干涉臂長，星間位移測量精度需要達(dá)到pm/hz1/2量級。由于星間激光干涉測量系統(tǒng)采用激光收發(fā)復(fù)用設(shè)計(jì)，4w的發(fā)射激光到達(dá)遠(yuǎn)端衛(wèi)星處的接收功率為10nw量級，因此接收端望遠(yuǎn)鏡的后向散射會對最終的拍頻信號產(chǎn)生巨大影響。現(xiàn)有的研究表明，總的后向散射光功率要小于9×10-10w才可滿足要求，這對望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與加工提出了挑戰(zhàn)，同時也對雜散光測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，研究搭建超低后向散射雜散光的測試系統(tǒng)具有重要意義。

2、傳統(tǒng)的激光相干測量技術(shù)，如單模激光器，雖然其具有頻率穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但其光譜寬度較窄，使得發(fā)射的光在頻率上較為單一。同時，由于相干長度長，干涉圖樣可以在整個測量范圍內(nèi)形成，若應(yīng)用于星間干涉測量，則難以精確定位各雜散光的來源。其次，受限于激光器以及探測器的物理尺寸，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)采用分光平板來分離測量光和參考光，由于測試系統(tǒng)本身的不完善，容易收集其他來源的雜散光，從而引入額外的測量誤差。此外，直接探測的測量方法無法精確定位不同雜散光的來源，也無法了解光學(xué)系統(tǒng)中每個光學(xué)元件雜散光的貢獻(xiàn)，進(jìn)而影響了對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)無法精確定位不同雜散光的來源的問題，提供一種基于低相干干涉的后向散射測量系統(tǒng)及方法，基于低相干干涉技術(shù)所用的寬帶光源，實(shí)現(xiàn)了對特定路徑光的篩選和測量，能夠精準(zhǔn)區(qū)分不同雜散光源的貢獻(xiàn)，并為望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于低相干干涉的后向散射測量系統(tǒng)，包括：低相干光源模塊、第一分束器、第二分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、回射器、平衡探測器模塊，以及中央處理器模塊；

4、所述低相干光源模塊發(fā)出光譜寬度滿足預(yù)設(shè)條件的光束；所述光束經(jīng)過第一分束器后獲得相互垂直的第一分光和第二分光；

5、所述第一分光入射至預(yù)設(shè)的樣品，所述樣品上的后向散射光沿第一分光的入射光路回射至第一分束器；所述后向散射光經(jīng)第一反射鏡折射后入射至第二分束器；

6、所述第二分光直接入射至所述回射器，所述回射器將第二分光回射至第二反射鏡，經(jīng)第二反射鏡折射后的第二分光入射至第二分束器；

7、將所述后向散射光作為測量光，將所述第二分光作為參考光，測量光經(jīng)過第二分束器后獲得相互垂直的第三分光和第四分光；參考光經(jīng)過第二分束器后獲得相互垂直的第五分光和第六分光；

8、所述第四分光和第五分光作為相互干涉的一組干涉光共同入射至平衡探測器模塊，所述第三分光和第六分光作為相互干涉的另一組干涉光共同入射至第三反射鏡，之后再入射至平衡探測器模塊；

9、所述平衡探測器模塊與中央處理器模塊電連接，平衡探測器模塊分別對兩組干涉光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將獲取的電信號輸入中央處理器模塊進(jìn)行分析和處理；

10、本發(fā)明中的樣品可以是反射鏡或者透鏡等，只要能夠反射光產(chǎn)生后向散射，就可以利用本系統(tǒng)評估雜散光的影響。

11、優(yōu)選地，所述低相干光源模塊包括超輻射發(fā)光二極管和準(zhǔn)直器；

12、所述超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器后獲得光譜寬度滿足預(yù)設(shè)條件的光束。

13、優(yōu)選地，所述樣品設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，所述轉(zhuǎn)臺用于帶動所述樣品旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變后向散射光的回射角度。

14、優(yōu)選地，所述回射器設(shè)置在可移動的位移平臺上；

15、所述位移平臺的控制端與中央處理器模塊電連接，中央處理器模塊控制所述位移平臺勻速移動，同時帶動回射器勻速移動，進(jìn)而改變測量光和參考光的光程差。

16、優(yōu)選地，所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡均為壓電驅(qū)動反射鏡。

17、優(yōu)選地，所述平衡探測器模塊包括第一光電探測器、第二光電探測器和差分放大電路；

18、所述第一光電探測器和第二光電探測器用于分別接收兩組干涉光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，分別獲取光電流并輸入差分放大電路；

19、所述差分放大電路與中央處理器模塊電連接，用于放大所述光電流，獲取電信號并輸入中央處理器模塊。

20、優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括第一線偏振器、第二線偏振器和第三線偏振器；

21、所述低相干光源模塊發(fā)出的光束經(jīng)過第一線偏振器后入射至第一分束器；

22、所述的兩組干涉光分別經(jīng)過第二線偏振器和第三線偏振器后入射至平衡探測器模塊。

23、本發(fā)明還提供一種基于低相干干涉的后向散射測量方法，基于上述的一種基于低相干干涉的后向散射測量系統(tǒng)，包括以下步驟：

24、搭建所述系統(tǒng)，對于各個回射角度的后向散射光，勻速移動所述回射器以提供持續(xù)變動的光程差；

25、利用平衡探測器模塊分別對兩組干涉光進(jìn)行實(shí)時光電轉(zhuǎn)換，并利用預(yù)設(shè)的后向散射交流信號數(shù)學(xué)模型計(jì)算輸出電壓v，實(shí)時獲取所述電信號；

26、將所述電信號實(shí)時輸入中央處理器模塊并進(jìn)行分析和處理，完成對后向散射光的測量。

27、優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)的后向散射交流信號數(shù)學(xué)模型具體為：

28、

29、其中，v為平衡探測器模塊的輸出電壓；g為平衡探測器模塊的增益系數(shù)；γ為預(yù)設(shè)的全局傳輸系數(shù)；s(f)為光電探測器的響應(yīng)函數(shù)；p(f)為光源的譜函數(shù)；α為平衡因子；f為低相干光源模塊發(fā)出的光的頻率；ηa表示低相干光源模塊發(fā)出的光束與光電探測器之間的重疊因子；ρ(f0)表示后向散射的相干系數(shù)；f0為中心波長的光頻率；p0為低相干光源的光功率；δ為波前誤差引入的相位變化；δl為參考光束和測量光束之間的光程差；tref,1為第三分光的復(fù)傳輸系數(shù)；tref,2為第四分光的復(fù)傳輸系數(shù)；tsig,1為第六分光的復(fù)傳輸系數(shù)；tsig,2為第五分光的復(fù)傳輸系數(shù)。

30、優(yōu)選地，所述中央處理器模塊對所述電信號進(jìn)行傅里葉變換，傅里葉變換后的電信號fftv表示為：

31、

32、獲取傅里葉變換后的電信號fftv的峰值頻率，以所述峰值頻率為中心進(jìn)行濾波，提高信號的信噪比；根據(jù)濾波后的電信號對后向散射光進(jìn)行測量。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

34、本發(fā)明提供一種基于低相干干涉的后向散射測量系統(tǒng)及方法，在測量時，首先搭建系統(tǒng)，對于各個回射角度的后向散射光，勻速移動回射器以提供持續(xù)變動的光程差；利用平衡探測器模塊分別對兩組干涉光進(jìn)行實(shí)時光電轉(zhuǎn)換，并利用預(yù)設(shè)的后向散射交流信號數(shù)學(xué)模型計(jì)算輸出電壓v，實(shí)時獲取電信號；將電信號實(shí)時輸入中央處理器模塊并進(jìn)行分析和處理，完成對后向散射光的測量；

35、本發(fā)明利用低相干光源的寬光譜和短相干長度的特性，通過光程差控制，從而篩選出關(guān)注的雜散光源，并去除其他非目標(biāo)雜散光的影響，能夠區(qū)分不同雜散光來源；另外，本發(fā)明使用干涉方法進(jìn)行測量，更接近望遠(yuǎn)鏡實(shí)際工作情況，提高了測量的靈敏度和準(zhǔn)確性，能夠?qū)z測水平提高到10-10數(shù)量級(該數(shù)量級為考慮所使用的平衡探測器的散粒噪聲、暗電流噪聲和相對強(qiáng)度噪聲計(jì)算出的理論測量極限)，并為引力波測量提供更精確的數(shù)據(jù)，有效提升了引力波探測的精度和可靠性。