一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜及装调方法

技术领域

本发明涉及光学系统装调领域，特别涉及一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜及装调方法。

背景技术

空间引力波探测的提出可以追溯到20世纪90年代由美国NASA和欧洲ESA合作的LISA项目，旨在探测30μHz至1Hz的引力波信号。如图1所示，其由组成等边三角形编队的三个航天器构成空间引力波天文台，沿绕日轨道运行，质心落在地球轨道上，航天器间距250万公里。每个航天器包含两颗测试质量，为使测试质量作自由悬浮运动，航天器将采用无拖曳控制技术来保护测试质量不受外力扰动。航天器之间采用激光链路，通过激光干涉测量系统来测量不同航天器测试质量之间的相对运动。当引力波经过时，会改变测试质量间的光程，此光程改变将通过激光干涉测量系统读出，从而反演出引力波信号。

一套全链路的干涉测量系统如图2所示，其中核心载荷包括激光器、干涉光学平台、相位计，望远镜及惯性传感器。望远镜是空间干涉测量系统的核心组件之一，是实现长基线星间干涉测量的关键载荷。作为科学干涉仪的一部分，望远镜用于接受来自远端航天器发出的光束并将其缩束为平顶光束并将其传递到光学平台与本地高斯光束干涉。与此同时，本地光学平台的小束腰高斯光束经过望远镜光学系统后扩束成大束腰的高斯光束以此减小其发散角，使得远端航天器接受更多的能量，减小散粒噪声。不同于传统的用于成像的望远镜系统，作为干涉测量系统的一部分的望远镜系统的技术要求更侧重于光程稳定性指标以及杂散光指标，其中针对于望远镜波前质量的指标要求波像差优于λ/30(λ＝1064nm)。

该望远镜采用离轴四反无焦系统，入瞳直径：400mm；工作波长：1064nm；捕获视场(ω/2)：200μrad；科学视场(ω/2)：8μrad；角放大倍率：-100倍。望远镜主镜采用抛物面，次镜采用双曲面，三镜、四镜采用球面。孔径400mm的平行入射光线依次经过主镜和次镜组成的卡式系统后会汇聚成一点，从该点继续传播，经过后面的三镜和四镜组成的准直系统后，出射的平行光口径缩小至5mm。

望远镜装调需要采用自准干涉检测技术，即ZYGO干涉仪发出的小口径标准平面波经过离轴四反光学系统扩束后变为大口径平面波，在系统前的标准平面镜发生反射，再次经过离轴四反光学系统回到干涉仪与干涉仪参考光发生干涉，得到干涉图。然后通过调整每块反射镜的位置，配合标准平面镜和ZYGO干涉仪的位置调整，直至干涉图波像差指标满足光学指标要求。

每块反射镜具有6个自由度调整量，即3个平移与3个转动，4块反射镜共24个自由度调整量，加上标准平面镜的2个转动调整量，ZYGO干涉仪的2个平动调整量、2个转动调整量，该离轴四反式光学系统装调共有30个自由度调整量。如此多的调整量无疑大大增加了光学系统的装调难度与装调时间，另外该光学系统为无焦系统，不能够通过调焦来补偿系统的像差，装调难度也远大于有焦系统。如果采用整体装调方式，共有30个自由度调整量，并且有几块反射镜就需要配备几个6自由度调整装置，系统的反射元件越多需要配备在装调装置越多；更为严重的是装调难度随着调整自由度的增加而增加，装调进度无法保证，装调质量很难达到指标要求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜及装调方法。

第一方面，本发明提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法，所述离轴四反望远镜包括主镜、次镜、三镜、四镜，其中所述主镜采用抛物面，所述次镜采用双曲面，所述三镜、所述四镜采用球面，孔径400mm的平行入射光线依次经过所述主镜和所述次镜组成的卡式系统后会汇聚成一汇聚点，从所述汇聚点继续传播，经过所述三镜和所述四镜组成的准直系统后，出射的平行光口径缩小为5mm；

利用ZYGO干涉仪发出的小口径标准平面波经过所述四镜、所述三镜、所述次镜、所述主镜扩束后变为大口径平面波，经过设置在所述离轴四反望远镜前的标准平面镜发生反射，再次经过所述主镜、所述次镜、所述三镜、所述四镜回到所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图；

通过调整所述主镜、所述次镜、所述三镜、所述四镜的位置，配合所述标准平面镜和所述ZYGO干涉仪的位置调整，直至所述干涉图的波像差指标满足光学指标要求，完成装调。

作为一种可选的方案，还包括：

装调并固定主镜与标准平面镜步骤；

所述主镜采用抛物面形式，具有唯一的焦点，所述ZYGO干涉仪发出的球面波经过所述主镜反射后变为平面波，经过所述标准平面镜反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图；

通过调整所述标准平面镜与所述ZYGO干涉仪直至所述干涉图的波像差满足所述主镜的设计指标要求，对所述标准平面镜与所述主镜的位置进行固定。

作为一种可选的方案，还包括：

装调次镜的步骤；

利用所述ZYGO干涉仪发出的球面波经过所述次镜、所述主镜后变为平面波，经过所述标准平面镜反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图；

所述主镜与所述标准平面镜的位置已经固定，继续调整所述ZYGO干涉仪与所述次镜的位置，直至干涉图的波像差满足设计指标要求时，对所述次镜的位置进行固定。

作为一种可选的方案，还包括：

所述三镜、所述四镜装调成组的步骤；

所述三镜、所述四镜采用球面形式，具有唯一的球心；

将两个标准球分别放置在所述三镜与所述四镜的球心位置，所述两个标准球分别为第一标准球和第二标准球；

利用所述ZYGO干涉仪发出的球面波经过所述第一标准球反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪的球面波的球心与第一标准球的球心重合；

移开所述第一标准球后所述ZYGO干涉仪球面波继续传播，经过所述三镜后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述三镜的位置直至干涉图的波像差满足设计要求，对所述三镜的位置进行固定；

利用所述ZYGO干涉仪发出的球面波经过所述第二标准球反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪的球面波的球心与第二标准球的球心重合；

移开所述第二标准球后所述ZYGO干涉仪球面波继续传播，经过所述四镜后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述四镜的位置直至所述干涉图的波像差满足设计要求，对所述四镜的位置进行固定；

所述三镜与所述四镜完成装调后形成镜组，将所述三镜与所述四镜固定在同一基板上。

作为一种可选的方案，还包括：

离轴四反望远镜系统装调的步骤；

将所述三镜与所述四镜组成的镜组放置预设光路位置，构建装调系统；

调整所述三镜与所述四镜组成的镜组与所述ZYGO干涉仪直至系统波像差指标满足光学系统要求，完成装调。

第二方面，本发明提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜，采用如上所述的用于空间激光涉测量的离轴四反望远镜装调方法进行装调得到。

本发明涉及光学系统装调领域，具体提供了一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法，利用标准平面镜与抛物面组件装调成一组，再利用次镜与一组装调成二组，三镜与四镜装调成三组，最后将二组和三组装调成组，形成光学系统。通过模块化装调方式，减少调整自由度，降低装调难度，提高装调效率。本发明还提供了一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜。

附图说明

图1为现有技术中提供一种LISA方案示意图；

图2为现有技术中提供一种干涉测量系统示意图；

图3为本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法中离轴四反望远镜自准干涉装调示意图；

图4为本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法中主镜与标准平面镜自准干涉装调示意图；

图5为本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法中次镜、主镜与标准平面镜自准干涉装调示意图；

图6为本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法中三镜、四镜干涉装调示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图3所示，本发明实施例中提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法，所述离轴四反望远镜包括主镜1、次镜2、三镜3、四镜4，其中所述主镜1采用抛物面，所述次镜2采用双曲面，所述三镜3、所述四镜4采用球面，孔径400mm的平行入射光线依次经过所述主镜1和所述次镜2组成的卡式系统后会汇聚成一汇聚点7，从所述汇聚点7继续传播，经过所述三镜3和所述四镜4组成的准直系统后，出射的平行光口径缩小为5mm；

利用ZYGO干涉仪6发出的小口径标准平面波经过所述四镜4、所述三镜3、所述次镜2、所述主镜1扩束后变为大口径平面波，经过设置在所述离轴四反望远镜前的标准平面镜5发生反射，再次经过所述主镜1、所述次镜2、所述三镜3、所述四镜4回到所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图；

通过调整所述主镜1、所述次镜2、所述三镜3、所述四镜4的位置，配合所述标准平面镜5和所述ZYGO干涉仪6的位置调整，直至所述干涉图的波像差指标满足光学指标要求，完成装调。

需要说明的是，波像差指标满足光学指标要求可以是波像差优于λ/30(λ＝1064nm)，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

在一些实施例中，装调并固定主镜1与标准平面镜5步骤包括以下：

主镜1采用抛物面形式，具有唯一的焦点，所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述主镜1反射后变为平面波，经过所述标准平面镜5反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图；

通过调整所述标准平面镜5与所述ZYGO干涉仪6直至所述干涉图的波像差满足所述主镜的设计指标要求，对所述标准平面镜5与所述主镜1的位置进行固定。

在一些实施例中，装调次镜2的步骤包括以下；

利用所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述次镜、所述主镜1后变为平面波，经过所述标准平面镜5反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图；

所述主镜1与所述标准平面镜5的位置已经固定，继续调整所述ZYGO干涉仪6与所述次镜2的位置，直至干涉图的波像差满足设计指标要求时，对所述次镜2的位置进行固定。

在一些实施例中，所述三镜3、所述四镜4装调成组的步骤包括以下；

所述三镜3、所述四镜4采用球面形式，具有唯一的球心；

将两个标准球分别放置在所述三镜3与所述四镜4的球心位置，所述两个标准球分别为第一标准球8和第二标准球9；

利用所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述第一标准球8反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪6的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪6的球面波的球心与第一标准球8的球心重合；

移开所述第一标准球后所述ZYGO干涉仪6球面波继续传播，经过所述三镜3后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述三镜3的位置直至干涉图的波像差满足设计要求，对所述三镜3的位置进行固定；

利用所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述第二标准球9反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪6的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪6的球面波的球心与第二标准球9的球心重合；

移开所述第二标准球9后所述ZYGO干涉仪6球面波继续传播，经过所述四镜4后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪与所述ZYGO干涉仪的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述四镜4的位置直至所述干涉图的波像差满足设计要求，对所述四镜4的位置进行固定；

所述三镜3与所述四镜4完成装调后形成镜组，将所述三镜3与所述四镜4固定在同一基板上。

在一些实施例中，离轴四反望远镜系统装调的步骤包括以下；

将所述三镜3与所述四镜4组成的镜组放置预设光路位置，构建装调系统；

调整所述三镜3与所述四镜4组成的镜组与所述ZYGO干涉仪6直至系统波像差指标满足光学系统要求，完成装调。

需要说明的是，各装调步骤中提到的干涉图未进行区分，利用ZYGO干涉仪6在装调中得到干涉图即可进行波像差的判断，满足指标要求即可，对此不做限定。

本发明实施例中还提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法，包括以下步骤：

S1、装调并固定主镜1与标准平面镜5；

结合图4所示，主镜1采用抛物面形式，具有唯一的焦点。ZYGO干涉仪6发出的球面波经过主镜1反射后变为平面波，经过标准平面镜5反射后沿着原路返回，进入ZYGO干涉仪6与参考光发生干涉，得到干涉图。通过调整标准平面镜5(2个转动自由度调整量，俯仰与方位)与ZYGO干涉仪6(3个平动加2个转动自由度调整量)，直至干涉图的波像差满足主镜1设计指标要求，此时标准平面镜5与主镜1的位置可以固定。这步只需7个自由度调整量。

S2、装调次镜2

结合图5所示，ZYGO干涉仪6发出的球面波经过次镜2、主镜1后变为平面波，经过标准平面镜5反射后沿着原路返回，进入ZYGO干涉仪6与参考光发生干涉，得到干涉图。由于主镜1与标准平面镜5的位置已经固定，此时只需要调整ZYGO干涉仪6(3个平动加2个转动自由度调整量)与次镜2(3个平动加3个转动自由度调整量)位置，直至干涉图的波像差满足设计指标要求时，次镜2的位置基本确定。这步只需11个自由度调整量。

S3、三镜3、四镜4装调成组

结合图6所示，三镜3、四镜4采用球面形式，具有唯一的球心，。首先，把标准球8、9分别准确的放置在三镜3与四镜4的球心位置。ZYGO干涉仪6发出的球面波经过标准球8反射后沿着原路返回，进入ZYGO干涉仪6与参考光发生干涉，得到干涉图。通过调整ZYGO干涉仪6的位置直至干涉图的波像差最小，此时ZYGO干涉仪6球面波的球心与标准球8的球心重合。移开标准球8后ZYGO干涉仪6球面波继续传播，遇到三镜3后沿着原路返回，进入ZYGO干涉仪6与参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整三镜3(3个平动加2个转动自由度调整量)的位置直至干涉图的波像差满足设计要求，此时三镜3的位置可以固定。

将两个标准球分别放置在所述三镜3与所述四镜4的球心位置，所述两个标准球分别为第一标准球8和第二标准球9；

利用所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述第一标准球8反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪6的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪6的球面波的球心与第一标准球8的球心重合；

移开所述第一标准球8后所述ZYGO干涉仪6球面波继续传播，经过所述三镜3后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述三镜3的位置直至干涉图的波像差满足设计要求，对所述三镜3的位置进行固定；

利用所述ZYGO干涉仪6发出的球面波经过所述第二标准球9反射后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整ZYGO干涉仪6的位置直至所述干涉图的波像差最小，所述ZYGO干涉仪6的球面波的球心与第二标准球9的球心重合；

移开所述第二标准球9后所述ZYGO干涉仪6球面波继续传播，经过所述四镜4后沿着原路返回，进入所述ZYGO干涉仪6与所述ZYGO干涉仪6的参考光发生干涉，得到干涉图，通过调整所述四镜4的位置直至所述干涉图的波像差满足设计要求，对所述四镜4的位置进行固定；

三镜3与四镜4完成装调后，二者形成镜组，然后三镜3与四镜4固定在同一基板上。这步只需5个自由度调整量。

S4、离轴四反望远镜系统装调

将三镜3与四镜4组成的镜组放置在图3光路中的位置，构建如图3所示的装调系统。调整三镜3与四镜4组成的镜组(6个自由度调整量)与ZYGO干涉仪6(2个平动加2个转动自由度调整量)，直至系统波像差指标满足光学系统要求。这步只需10个自由度调整量。

本发明实施例提供的用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜装调方法，利用标准平面镜与抛物面组件装调成一组，再利用次镜与一组装调成二组，三镜与四镜装调成三组，最后将二组和三组装调成组，形成光学系统。通过模块化装调方式，减少调整自由度，降低装调难度，提高装调效率。

相应地，本发明实施例中还提供一种用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜，采用如上所述的用于空间激光涉测量的离轴四反望远镜装调方法进行装调得到。

本发明实施例提供的用于空间激光干涉测量的离轴四反望远镜，通过模块化装调方式，减少调整自由度，降低装调难度，提高装调效率。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。