天文光缆结构设计及其性能检测关键技术研究

In recent years, more and more optical fibers are used by astronomical telescope system which using the multi-object spectroscopy or integral field spectroscopy technique. Cabling the fibers is the effective way to protect the optical fiber in the telescope system from outside mechanical forces and water vapor, improve the reliability and service life of the observation equipment, and be beneficial to the laying and maintenance of the fiber. The design of the traditional structure cable only considers the transmission efficiency of cable, but less considers the focal ratio degradation. The research objective of this project is to research on key technologies for structural design and performance detection of optical fiber cables used for astronomy, which be aimed at actual demand of LAMSOT second-phase project, to improving the reliability and service life of optical fiber based observation equipment, to reserve technology for improving the function of the existing telescope's spectral observation equipment, and to promote knowledge innovation and technological progress in the field of astronomical observation instruments in essence. The research content includes: 1) The study on mechanism and inhibition method of focal ratio degradation caused by cable structure, the analysis of focal ratio degradation based on the incentive mode, and the influence of optical fiber fabrication process parameters on the optical emission field of optical fiber. 2) The study on optimal design of laying mode and wiring type of astronomical optical cable, exploration on the influence of mechanical stress on optical performance of optical fiber during long term operation of telescope. 3) The study on the detection and evaluation method for the focal ratio of optical fiber cable, the study on fiber cable focal ratio detection automation and its instrumentation.

应用多目标光谱和积分视场光谱技术的望远镜使用光纤数目越来越多，为保护望远镜系统中的光纤不受外界机械应力和水气作用，提高观测设备的可靠性和使用寿命，便于光纤的敷设、维护，光纤成缆成为必然的选择。传统光缆结构设计仅考虑光纤传输效率，而未考虑光纤的焦比退化问题。本项目的研究目的是：针对LAMOST望远镜二期工程实际需求，开展天文光缆结构设计及其性能检测关键技术研究，为提升现有望远镜光谱观测功能提供相应的技术储备，实质推进天文观测仪器领域中的知识创新和技术进步。研究内容包括：1、光缆结构导致光纤焦比退化机制及抑制方法研究，基于模式激励的焦比退化分析，光缆制作工艺参数对光纤出射光场影响等；2、开展天文光缆敷设方式，布线形式优化设计研究，探索望远镜长期运行过程中的机械应力对光缆光学性能的影响；3、光缆焦比检测评价方法研究，光缆焦比自动化检测及其仪器化研究。

近年来，随着应用多目标光谱和积分视单元技术的望远镜使用的光纤数目越来越多，为保护望远镜系统中的光纤不受外界机械应力和水气作用，提高观测设备的可靠性和使用寿命，便于光纤的敷设、维护，光纤成缆成为必然的选择。我国天文光缆的关键制备技术方面还处于起步阶段，对于天文光缆中的大芯径光纤焦比退化机理研究较少，缺乏相应技术储备和研究基础。传统结构光缆设计仅考虑光纤传输效率，而未考虑外部环境，敷设方式、光缆设计过程中关键工艺参数对光纤输出焦比的影响。早日开展天文光缆结构设计及其性能检测关键技术研究工作，无论是推进我国光纤光缆国产化进度，还是满足各种大型天文观测仪器工程实际需求，都有着重要的意义。.本项目立项时计划在前期研究的基础上，针对天文观测仪器工程实际需求，开展天文光缆结构设计及其性能检测关键技术研究。从而提升现有望远镜光谱观测功能提供相应的技术储备，实质推进天文观测仪器领域中的知识创新和技术进步。.在本项目中，完成的研究内容和取得的成果如下：.1）基于光纤出射光场能量占比，研制了天文光纤传输特性快速测量系统，该系统可以实现光纤输出焦比、传输效率和光纤端面质量等的同时测量，并实现了入射光源的波动反馈补偿，提供了光纤传输特性的闭环实时测量，具有测量速度快、准确度高、重复性好的特点。.2）分析了光纤在光缆中的形态，研究了基于微管结构的传统层绞式光缆内光纤的焦比退化特性。研制了一种具有均匀传输特性的外胶式光纤束，作为用于FASOT光纤积分视场单元的高密度光缆基本单元，经过研究不同状态下的外胶式光纤束中光纤的传输特性，证明外胶式光纤束具有均匀的传输特性，对外界环境应力具有一定的抵抗作用，适合用于制作天文用高密度光缆。提出了一种用于大型积分视场单元的具有350芯的高密度光缆结构。.3）分别研制了高应变灵敏度长周期光纤光栅、错芯长周期光纤光栅、螺旋长周期光纤光栅和间断螺旋结构长周期光纤光栅4种结构分别监测微管结构层绞式光缆内外部状态变化。实验结果表明，各结构长周期光纤光栅在埋入光缆后依然保持着对应力、弯曲、扭转等变量的高灵敏度，能够很好的完成光缆状态的实时监测。