绝对重力仪是集激光干涉测量技术、光电转换技术、机械伺服控制技术及高精度数据采集等于一体的复杂测量系统，对各个部件的加工、时间测量、长度测量等精度要求极高，计算过程复杂。作为世界上许多国家技术攻关的目标，绝对重力仪已经成为地球物理观测技术综合能力的体现^[1-2]。但迄今为止，只有美国推出了商品化的绝对重力仪产品，尤其以FG5和A10型绝对重力仪为代表。两种类型的绝对重力仪工作原理一致，即测试块在机械装置的真空腔体里作自由落体运动，利用激光、干涉仪、长周期惯性隔离装置(超级弹簧)和原子钟来精确确定此块体的运动位置，再根据准确的运动轨迹就可以计算出块体的重力加速度。绝对重力仪激光发生装置为美国WintersElectro-Optics公司研制，能够为绝对重力测量提供波长和频率稳定、具有偏振态的激光源，部件包括激光本体、耦合器、光纤、线缆4个主要部分。激光到达真空落体室进行实时测距需要通过耦合器、线性单膜保偏光学光纤及干涉仪等部件，耦合器的作用是将激光本体产生的激光源传输到光纤；光纤的作用是偏振保持和全反射，减少光功率的损失以便得到功率稳定、特定束腰及具有偏振态的平行激光束；干涉仪的作用是引导光束进入真空腔和超级弹簧，并进行分光，达到干涉测距的目的；线缆的作用则是连接激光本体和激光控制部分，确保两者光电信号的正常传输^[3-5]。

绝对重力仪激光器的输出激光消光比值最低要求为100，当比值小于100时不满足绝对重力测量条件，意味着光纤对激光偏振态的保持效果不好，激光在光纤内的传输就会变得十分不稳定。因此，调节光纤使其消光比值大于100，不仅能保证激光输出的能量最大，还能确保输出能量的稳定性，进而满足绝对重力测量条件。在野外绝对重力测量中，由于长途运输、震动、温度变化、耦合器维护等会造成光纤与耦合器连接头围绕光轴发生角度偏转^[6]，使光纤输入端无法对准耦合器中出来的激光束，引起偏振损失。本文介绍了绝对重力仪使用的单膜保偏光纤的对准方法及#181、#250两台激光器光纤的对准调节实验情况，通过自主设计的消光比检测装置实测，其消光比值大于100。图 1为激光光路及与各部件位置示意图。

1 光纤及消光比介绍

光纤的纤芯在对称的位置上有两个小孔，具有良好的圆对称性，制造材料为纯石英，由极其复杂的工序拉制而成。光纤一般由几层同心圆柱体构成，最外层为涂覆层，其作用是保持光纤干燥、洁净，不受湿气的侵蚀和外力的损坏，由一次涂覆、缓冲层和二次涂覆3层组成；中间为包层，折射率比纤芯低一点，是反射面的隔离层；最里面为最重要的纤芯，是高透明性的玻璃丝，也是光波传输的通道^[7-11]。

光矢量的震动方向与其传播方向相互垂直且大小和方向都在改变，在光波传播平面内，光的震动方向与光的传播方向不是时刻一一对称的，而正是这种不对称性导致随光震动方向的变化，光的性质也在不断地发生改变，这种不对称性称为光的偏振特性^[12]，也是纵波与横波最明显的标志。理想的单膜保偏光纤具有良好的几何圆对称性，传输的基模是两个正交模式的二重简并模态，如果两个基模传输系数相同，则光纤可以在其传输过程中保持线偏振方向不变。而在实际应用中，由于弯曲、扭绞、应力、震动、光纤偏转和受压等机械作用力破坏了理想的二重简并模态，两个基模的传输系数不可能相同，光纤具有残余的双折射，这种双折射会改变偏振光的偏振态^[13-14]，使光束在光纤内的传输变得十分不稳定。因此，为保证光纤中偏振光的偏振态不变，在绝对重力测量及运输过程中要轻拿轻放，尽量保证光纤不发生形状的改变。但耦合器需要进行激光功率调节等操作，会引起光纤与耦合器连接的固定角度发生偏转，改变激光的偏振态，导致激光的输出功率十分不稳定。

一束线偏振光沿着保偏光纤某一主轴入射，由于光纤制作工艺不完善及应力、偏转等，造成线偏光沿光纤传输时部分能量从激发模耦合到与入射主轴正交的另一主轴上形成耦合模，激光在光纤输出端的激发模与耦合模功率比即为消光比，偏振消光比用来描述光纤对在其内传输的偏振光保持偏振态不变的能力。激光器本体产生的光束注入单膜保偏光纤的快轴，在输出端的慢轴与快轴方向分别测得的光功率以P_y、P_x表示，消光比公式为：

$ \eta = \frac{{{P_y}}}{{{P_x}}} $

(1)

式中，P_y为激发模功率，P_x为耦合模功率。η与双折射成正比，η越大双折射也越大，偏振保持能力越强。

2 消光比检测装置的设计

碘稳频He-Ne激光器产生的是空间偏振光，光束通过耦合器进入保偏光纤，再由光纤的输出端进入干涉仪，通过分光达到干涉测距的目的。耦合器是高精密系统，外界震动、温度及应力变化等会造成光纤与耦合器连接部分发生偏转，导致光纤保持偏振的能力下降，直观表现为消光比值降低。当消光比值小于100时，光纤输出的激光就会变得十分不稳定，影响绝对重力仪的数据采集过程，因此需设计消光比检测装置以达到对消光比值的实时跟踪检测。

消光比检测装置的核心包括λ/2波片、高精度光功率计和可旋转支架，同时包括导轨、滑块、支座、支杆、夹持器等部件，其原理如下：使光纤输出端的偏振激光束穿过波片中心位置，到达功率计探头中心位置；通过支架旋转波片角度，测量得到激发模与耦合模的功率值；再通过式(1)得到消光比值；最终确定光纤与耦合器连接部位的正确角度。

波片类型的选择由激光波长决定，一般采用格兰-泰勒棱镜，至少满足消光比值达到100的要求。本文使用的波片针对400~700 nm的波长范围进行优化，能提供超过90%的偏振效率，消光比值大于1 000，包含二向色偏振膜片，可在特定波长范围内透射和吸收偏振光，能够高度吸收抑制偏振，非常适合低功耗应用。另外，本装置具有较强的通用性，当需要检测其他类型的激光器输出光的消光比时，可根据激光波长替换合适的波片。

3 光纤对准调节方法

绝对重力仪器使用的是熊猫型光纤，其耦合难度非常高，纤芯跟激光束的圆心很相似，给光纤与耦合器的对准带来了一定的便利性。进行消光比测试与光纤对准是绝对重力仪激光器维护的重要方面，以下为光纤对准的具体调节步骤：

1)使用设计的消光比检测装置，使光纤输出端发出的激光束穿过波片到达功率计探头。旋转波片，直到功率计测量的光功率达到最大值，记录该值为“激发模功率值”。

2)旋转波片，直到功率计测量的光功率值最小。此时将光纤缠绕成环形，用手轻轻握住环形光纤线圈，用手掌温度给线圈加热来增加功率计测量的功率值。手掌轻握线圈1~2 min，等待功率计测量的光功率值稳定，记录该值为“耦合模功率值”。

3)计算消光比。如果消光比值大于100，则无需进行下一步操作；如果消光比值小于100，就需要调节耦合器，以对光纤进行对准。标记光纤接头相对于耦合器的初始位置，松开耦合器上固定光纤接头的3个平头螺丝，如果消光比值接近100，将光纤接头顺时针旋转1个微小角度；如果消光比值接近1，则将光纤接头顺时针旋转90°；如果消光比值在100与1之间，可根据以上信息计算光纤顺时针旋转的准确角度。

4)将光纤旋转准确的角度之后重新拧紧3个平头螺丝，利用耦合器将激光功率调节至15 μW以上，重复步骤1)~3)。

5)如果消光比值仍小于100，继续重复步骤3)和步骤4)。

6)整个调节过程一般至少需要重复3遍以上，直至消光比值大于100，拧紧并固定光纤入射端接头。

7)调节耦合器。尽可能使激光输出功率值最大，以满足绝对重力仪的测量条件。

在调节过程中，松开耦合器上固定光纤接头的3个平头螺丝时激光能量会有很大的损失，通过耦合器重新将失去的激光找回对操作者的熟练程度及耐心是巨大考验，需要反复实践。

4 实验及测试结果

对FG5绝对重力仪的3台WEO100型He-Ne激光器(编号分别为#181、#250、#252)采用自主设计的消光比检测装置进行消光比检测及调节实验，假如消光比值小于100，则按照前文介绍的方法进行检调。实验分3次进行，逐步对消光比值进行优化，表 1~3为调节实验结果。

对3台激光器的消光比进行检测的实验过程及数据分析如下：

1)由表 1可以看出，#252激光器初次检测的消光比值为810.00，优于100，满足绝对重力对激光的要求，因此该台激光器无需进一步优化。

2)#181和#250激光器初次检测的结果分别为3.70、7.31，远小于100，故调节耦合器，并对光纤入射端的角度重新进行对准。第1次调节后消光比值分别达到57.24和36.22，第2次调节后的消光比值分别达到88.37和102.54，接近100.00，第3次调节后消光比值的增加幅度较大，分别达到了622.85和1 457.39。

3)由图 2和图 3可以看出，在消光比值逐步优化的过程中，激光器的输出能量也在逐步提高，两者成正比，但具体的比例关系不得而知，有待进一步研究。

4)通过3次调节，消光比值符合要求，说明消光比值的调节是一个逐步优化的过程，不能一蹴而就。

5 结语

1) 绝对重力仪激光器单膜保偏光纤的对准调节过程比较困难，当消光比值小于100时，激光输出能量不稳定，导致绝对重力测量过程中断。通过自主设计的消光比检测装置调节消光比值，为判断激光器消光比是否满足绝对重力观测条件提供了快速检测手段。

2)自主设计的消光比检测装置及对准调节方法具有较强的通用性，为不同类型的激光器消光比检调提供了可参考的有效途径。

3)在野外绝对重力观测中，由于震动、耦合器维护等因素导致激光器消光比值无法满足观测要求的情况频发。#181和#250两台绝对重力仪激光器经过调节后消光比值分别达到622.85和1 457.39，远大于100，激光器输出能量分别为27.2 μW和34.7 μW，满足绝对重力观测的条件，说明本文介绍的绝对重力仪激光器光纤对准调节方法可靠，对国内绝对重力仪用户有一定的借鉴意义。