CN101430422A - 基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线。该种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括：倾斜抛物型母线螺旋面反射镜、背向反射镜、驱动电机。倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面形倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，背向反射镜用于控制光束被倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线原路反射。本发明的优点在于：倾斜抛物型母线螺旋面反射镜与背向反射镜组合增大线性延迟时间，消除单程螺旋面延迟线对反射光的平移，使延迟线结构简单紧凑。

Description

基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线

技术领域

本发明涉及一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，属于时间分辨光学延迟线技术领域。

背景技术

在光学和光电子学领域，人们一直致力于发展光学延迟线。光学延迟线是通过技术手段实现参与实验的相干光脉冲之间精确可控的相对延迟时间的装置。光学延迟线是时间分辨光学系统的关键部件，有着广泛应用技术领域，如：THz时域频谱技术、超快时间分辨率光谱技术、时间分辨干涉计量光谱技术、光学相干层析成像技术以及光学泵浦-探测技术等。

实现光学延时的技术多种多样，最简单常用的是马达驱动的线性微位移平台控制的光学背向反射器构成的光学延迟线，这类光学延迟线可以实现很长的时间延迟，但由于其机械惯性而不能实现快速扫描。后来人们提出用压电换能器代替马达驱动的线性微位移平台，尽管可以实现KHz的扫描速率，但由于压电换能器的位移量仅为微米量级，其应用倍受局限。为了适应不同的应用背景，人们发明了各种各样的光学延迟线，如旋转块状玻璃或反射镜对延迟线、基于光栅透镜构成的延迟线、旋转反射镜阵列式延迟线等。C.-L.Wang发明了旋转直牙螺旋面反射镜光学延迟线(1998年美国专利，专利号：5784186)。这种基于旋转直牙螺旋面反射镜光学延迟线制作简单、运转稳定、延迟时间范围长，重复频率高。但通过微分几何学理论分析发现，这种光学延迟线有以下几点技术壁垒：(1)该光学延迟线的反射镜面为马鞍面，经该反射镜反射的原平面波前被畸变为马鞍面，且当升距增大(对应较大时间延迟范围)回转半径减小时，马鞍面型波前畸变更严重，马鞍型光学波前畸变为复杂曲面波前相位失真，很难通过常规的光学器件补偿校正；(2)该光学延迟线的出射光束与入射光束的夹角取决于螺旋面的升距和入射光的入射点离旋转轴的距离，对于数毫米的螺旋面升距，出射光束与入射光束的夹角一般仅为1～5度，很难在短的光程内设置光学器件实现光学延迟功能，较长的光程难以实现系统小型化，并且影响系统稳定运转；(3)由于上述(2)，基于直牙螺旋面反射镜的光学延迟线只能采用一次反射式光路设置，致使该光学延迟线的最大延迟光程仅为螺旋面升距的两倍，限制了最大延迟范围；(4)由于上述(3)，该光学延迟线在扫描延迟时间过程中伴以反射光束的平移，且升距越大平移量越大，这种平移为许多应用领域带来不便和测试误差，限制了这种延迟线的广泛应用。

在光学延迟线领域，获得长延迟时间范围、高重复频率、高精度及小型化的延迟线致关重要。

发明内容：

本发明旨在提出一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，该延迟线结构简单紧凑、延迟范围长、精度高、运转稳定。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，该倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括：驱动电机20，驱动电机20带动倾斜抛物型母线的螺旋面反射镜11旋转，还包括控制光束背向反射的背向反射镜12，其特征在于：

上述倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面形倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具有倾斜角度为θ、抛物线系数为M的母线，凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为0°～15°，凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为-15°～0°，螺旋面升距d为0～100mm，入射点距旋转轴距离R为15mm～100mm，反射镜面的宽度T为10mm～20mm，螺旋回转面反射镜的外径D为20mm～110mm，抛物线系数M由螺旋面升距d、母线倾斜角度θ及入射点距旋转轴的距离R决定；所述背向反射镜放置的位置为：与倾斜抛物型母线螺旋面反射镜11的旋转轴之间的夹角δθ为-35°～35°，离倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的距离为20mm～100mm。

本发明的优点在于：(1)本发明采用倾斜抛物型母线螺旋面反射镜作为延迟装置，使反射光与入射光束存在一个预偏置角θ，恰当的分开了入射光束和反射光束，这样可以方便搭建延迟线，缩短光路，使系统小型化。(2)本发明中在倾斜抛物型母线螺旋面反射镜反射光一侧放置背向反射镜，调整该背向反射镜，使被延迟光束原路返回两次通过倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，延迟光程增大到4倍螺旋面升距，增大了延迟时间。(3)本发明由于上述优点(2)，消除了延迟线扫描过程中造成的光束平移。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：11为倾斜抛物型母线螺旋面反射镜；12为背向反射镜；20为驱动电机。

图2为本发明中凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜示意图。

图3为本发明中凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜示意图。

图2和图3中：XYZ构成直角坐标系，Z轴为螺旋面反射镜旋转轴；ρ为径向坐标参量；Φ为角向坐标参量；d为螺旋面升距，θ为母线倾斜角度；D为螺旋面反射镜的外径；T为反射镜面的宽度。

图4为由凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜构建的周期扫描光学延迟线组成的非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器。

图中：01为钛宝石飞秒激光器；02为隔离器；03、04、05、06、07、08、09为波长在780nm-820nm的介质膜全反射镜；10为分束器；11为倾斜抛物型母线螺旋面反射镜；12为背向反射镜；13为汇聚透镜；14为倍频晶体(BBO)；15为小孔光阑；16、17为光电探测器；18为数字示波器。

图5为图4所示非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实例中经过隔离器02后被展宽的飞秒激光序列脉冲的相关信号，该信号用商品相关器(APE PulseCheck-150)测得。

图6为图4采用所示非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实例中实际测得的飞秒激光序列脉冲的相关信号。

具体实施方式

本发明获得基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线的具体实施方法如下：

首先是倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的设计和制备。详述如下：

依据微分几何原理，螺旋回转面的参量方程写作：

$\stackrel{\→}{r}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})=(\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\φ},\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\φ},\frac{d}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}+z_0)---\left(1\right)$

上述具有倾斜抛物型母线螺旋面反射镜设计公式定义在直角坐标系中，如图2所示，Z轴与旋转轴重合。其中ρ为点

到Z轴的距离，φ为相对回转角，d为螺旋面升距，z₀为母线的参量表达式。母线为倾斜抛物线型时满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+z\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{{(\mathrm{\ρ}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-z\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-R)}^2}{M}+\frac{R^2}{M}\\ z_0=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中R为光束入射点距旋转轴的距离，θ是母线的倾斜角度，M是母线抛物线系数。

螺旋回转面上任意一点

的Z方向坐标满足：

$z=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}+z_0---\left(3\right)$

由公式(3)可知，z与回转角φ成线性关系，因此周期性旋转的过程中，z方向可实现与旋转角度φ成线性的周期性延迟。本发明中最大延迟光程为4d，根据所设计延迟线需要的最大延迟时间确定螺旋面升距d。

光束平行于旋转轴入射，入射点为

时，入射光与反射光间的夹角近似满足倾斜直母线螺旋回转面条件下的夹角公式：

$\mathrm{\δ\θ}=2\arccos \left(\frac{R}{\sqrt{R^2{\sec }^2\mathrm{\θ}+{(d/2\mathrm{\π})}^2}}\right)---\left(4\right)$

由公式可知，入射光与反射光间的夹角是R、d、θ的函数，当入射光束具有一定的半径r时，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜将会使入射的准直光束发散，其最大发散角度近似满足下式：

$\mathrm{\Δ\θ}=\arcsin \left(\frac{\sqrt{2[{(d/2\mathrm{\π})}^2{R}^2+R^4{\tan }^2\mathrm{\θ}](1-\cos \mathrm{\Δ\φ})+{[{(d/2\mathrm{\π})}^2+R^2{\tan }^2\mathrm{\θ}]}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{R^2{\sec }^2\mathrm{\θ}+{(d/2\mathrm{\π})}^2}\right)---\left(5\right)$

其中Δφ是入射光束直径对应回转面参量φ的增量：Δφ≈2r/R。被螺旋面反射的光束发散角度随母线倾斜角度θ增大而增大，随R增大而减小，因此设计倾斜抛物型母线螺旋面反射镜时根据应用的实际光束质量需求和结构需求，依据夹角公式(4)和发散角公式(5)确定母线倾斜角度θ和螺旋面的半径即R。

倾斜抛物型母线螺旋面上任意一点

的法平面参量方程写作：

$A(x-\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\φ})+B(y-\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\φ})+C(z-\frac{d}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}-z_0)=0---\left(6\right)$

其法线为：

$\stackrel{\→}{n}=(A,B,C)---\left(7\right)$

倾斜抛物型母线螺旋面上的点到该法平面的距离表示为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{A\ρ}\cos \mathrm{\φ}+\mathrm{B\ρ}\sin \mathrm{\φ}+C(\frac{d}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}+z_0)}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}---\left(8\right)$

该距离Δl也代表被倾斜抛物型母线螺旋面反射镜反射的光波前的畸变。由公式(8)和上面确定的螺旋面升距d、母线倾斜角度θ及光束入射点距旋转轴的距离R，可以唯一确定一个母线抛物线系数M。其确定条件是：当θ>0时，Δl_max＝0，如图2所示，获得凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜；当θ<0时，Δl_min＝0，如图3所示，获得凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜。

本发明中实际加工的凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具体参数为：螺旋面升距d＝7.5mm，母线倾斜角度θ＝5°，螺旋面反射镜的外径宽度D＝55mm，反射镜面宽度T＝10mm，光束入射点距旋转轴的距离R＝50mm，母线抛物线系数M＝14.735137。该凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜由YYT70-15型同步电机驱动，电机转速为450rpm。背向反射镜放置在与倾斜抛物型母线螺旋面反射镜旋转轴成10.9°角方向，且离倾斜抛物型母线螺旋面反射镜50mm处，从而构成本发明的基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线。

采用上述基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线应用于图4所示的非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实验中，该系统的输入飞秒激光序列脉冲的自相关信号(即经过隔离器02后)如图5所示，该飞秒脉冲光经分束器10分成两束，30％的一束称作信号光，经反射镜08、09、05、06入射到汇聚透镜13上；70％的一束称作参考光，进入基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，被基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜构成的周期扫描光学延迟线延迟的参考光原路反射，再经分束器10和全反镜07反射，平行于信号光入射到汇聚透镜13上，信号光和参考光经汇聚透镜聚焦入射在倍频晶体(BBO)14上，被激发产生的倍频信号被光电探测器16接收，并输入到示波器的其中一输入端口。螺旋面反射镜反射面的起始处有一2mm的开口，螺旋面反射镜每旋转一周，参考光束从该开口透过一次，并照射在光电探测器17上，光电探测器17探测的光信号脉冲输入到示波器18的另一输入端口，作为同步信号。倾斜抛物型母线螺旋面反射镜在驱动电机带动下周期性旋转，实现对待测光脉冲的自相关信号周期性扫描。由该系统测得的飞秒激光序列脉冲的自相关信号如图6所示，该测得的脉冲信号脉宽与输入信号脉冲宽度吻合，因此基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线具有很高的测量精度，与相同结构参数的旋转直牙螺旋面反射镜的光学延迟线相比，延迟范围增大了2倍，且大大缩小了装置的结构尺寸。

Claims (1)

1.一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，该基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括：驱动电机(20)，驱动电机(20)带动倾斜抛物线型母线的螺旋回转面反射镜(11)旋转，还包括控制光束背向反射的背向反射镜(12)；其特征在于：所述倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具有倾斜角度为θ、抛物线系数为M的母线，凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为0°～15°，凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为-15°～0°，螺旋面升距d为0～100mm，入射点距旋转轴距离R为15mm～100mm，反射镜面的宽度T为10mm～20mm，螺旋回转面反射镜的外径D为20mm～110mm，抛物线系数M由螺旋面升距d、母线倾斜角度θ及入射点距旋转轴的距离R决定；所述背向反射镜放置的位置为：与倾斜抛物型母线螺旋面反射镜(11)的旋转轴之间的夹角δθ为-35°～35°，离倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的距离为20mm～100mm。

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