CN101950069A - 一种光路延时装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的光路延时装置。其设计思想为利用Herriot望远镜结构对光路进行延时，包括两块小口径光学反射镜，一块大口径凹面反射镜，一块大口径平面反射镜，三块45°平面反射镜。首先利用光学反射镜将光脉冲输入到该延时光路之中，大口径的凹面反射镜以及平面反射镜使得光束在这个延时光路内往返多次，得到所需要的光程之后，利用反射镜将光脉冲从该延时光路中输出。对口径凹面反射镜和平面反射镜之间的距离以及凹面反射镜的曲率半径合理设置使输入输出的光斑直径大致相等。该光路延时装置具有结构简单、对光束冲的能量损耗小、不产生过多的正色散、输入输出的光斑直径相等、成本低廉，更重要的是可以灵活变换各种参数实现任意光程等优点。

Description

一种光路延时装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种新型的光路延时装置。

背景技术

在光学领域，光线的传播是实现光学器件各种功能的基础，而长距离的光路传播并且保持光束的质量不发生严重的恶化也是光学工作者追求的目标之一。在超短脉冲相互作用的过程中，特别是超短脉冲的参量相互作用过程中，由于脉冲的持续时间一般在皮秒(即ps，1ps＝10^-12s，)或者飞秒(即fs，1fs＝10^-15s)量级，若要使得两脉冲在时间上完全重合，则需要两脉冲所经历的光程差为零。此时，就需要延时光路来保证光程精确相等。对于较短的光程，一般通过光学反射镜来实现光线的传播，但是对于长距离的光路传播，利用光学反射镜来进行平行光光路的传导就很不经济，也没有实际意义，因为如果想得到长距离的光路传播，需要大量的光学反射镜以及机械部件，并且，激光本身虽然发散角较小，但是并不能完全等效为平行光，特别是长距离传播的过程中，光束会越变越大，就需要引入准直光路对光束进行准直。这样不仅增加了成本，对超短脉冲而言，引入大量的正色散，影响脉冲的压缩。通常光路还有另外一种传播方式：利用光纤进行传播，光纤可以传播很长的距离，但是光纤传播有两个缺点：长距离的光纤传播对光束带来很大的损耗，并且这种损耗很难得到弥补；在超短脉冲的传播过程，长距离的光纤会引入大量的引入大量的色散，影响脉冲的再压缩。

发明内容

本发明的目的就是针对现存的光路延时结构的不足之处，提供一种低损耗、结构简单、对光束的质量影响小的光路延时装置，从而保证超短脉冲的高质量相互作用。一种光路延时装置：包括两块小口径光学反射镜，一块大口径凹面反射镜，一块大口径平面反射镜，三块45°平面反射镜；光束经过45°光学反射镜反射到其中一个所述小口径反射镜上，通过该反射镜反射到大口径凹面反射镜上，调节大口径凹面反射镜的位置，使得光束反射到大口径平面反射镜上，调节大口径平面反射镜的位置使得光束再次反射到大口径凹面反射镜上，光束在光路延时装置中完成对其延时后，由另一块小口径反射镜将其反射到靠近所述大孔径平面反射镜设置的45°光学反射镜上射出所述光路延时装置，完成对所述光束的延时。

进一步，该延时光路的q＝1。

进一步，根据激光的传输特性，所述光束在延时光路内往返一次的ABCD传输矩阵是：

$M_T=\left(\begin{array}{cc}1-\frac{2L}{R_2}& 2L(1-\frac{L}{R_2})\\ -\frac{2}{R_2}& 1-\frac{2L}{R_2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

光束在延时光路内传输n次的传输矩阵为：

${M_T}^n{\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)}^n=\left(\begin{array}{cc}\frac{A-D}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}& B\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ C\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}& \frac{D-A}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{A+D}{2}=1-\frac{2L}{R_2}---\left(3\right)$

在所述的θ角，满足nθ＝mπ的条件下所述q＝1；其中，mπ代表光线绕光轴旋转的角度，n、m均为整数。

进一步，根据所述等式(3)可以得到凹面镜的曲率半径R₂，凹面镜与平面镜之间的距离L，以及光线旋转的角度θ之间的关系，如下：

$L=\frac{R_2}{2}(1-\cos \frac{\mathrm{m\π}}{n})---\left(4\right).$

进一步，通过反复调节所述大口径凹面反射镜以及大口径平面反射镜的位置，使所述光束在所述大口径凹面反射镜以及大口径平面反射镜上形成的光斑呈圆周对称均匀分布。

进一步，将所述平面反射镜放置于一维平移台上，使用所述一维平移台来调节大口径平面反射镜与凹面反射镜之间的距离。

本发明专利实现的基本思想就是利用Herriot望远镜的结构，Herriot望远镜的主要功能就是使得较远处的光在两个凹面镜之间或者一个平面镜一个凹面镜之间来回传播多次。也可以理解成为将远处的物体成像到近处。并且在Herriot望远镜的结构中q值应该保持不变。所述的q值表示高斯光束传播的一个参数，它是束腰以及发散角的函数，q值不变表示光束的束腰和发散角不变。也就是说进入和输出这个装置的光束性质是完全一样。

在本发明中首先利用光学反射镜将光脉冲输入到该延时光路之中，通过大口径(直径在50mm以上)的凹面反射镜以及平面反射镜使得光束在这个延时光路内往返多次，得到所需要的光程之后，利用反射镜将光脉冲从该延时光路中输出。大口径凹面反射镜和平面反射镜之间的距离以及凹面反射镜的曲率半径合理设置使得该延时光路的q值为1(即q＝1)，输入输出的光斑直径大致相等。该光路延时技术结构简单、对光束冲的能量损耗小、不产生过多的正色散、输入输出的光斑直径大致相等、成本低廉，更重要的是可以灵活变换各种参数实现任意光程。

附图说明

图1为本发明光路延时结构示意图；

图2a为当q＝1时，L随着往返次数n的变化；

图2b为当q＝1时，R₂随着往返次数n的变化；

图3a为大口径凹面反射镜上光斑分布示意图；

图3b为大口径平面镜和上光斑分布示意图。

具体实施方式

如图1中所示，本发明中所公开的光路延时装置包括：包括两块小口径(直径为5-6mm)光学反射镜1、2，一块大口径凹面反射镜3，一块大口径平面反射镜4，三块45°平面反射镜5，6，7。大口径凹面反射镜与所述大口径平面反射镜设置在光路的两端，所述45°平面反射镜5与6对称的设置在光路的两侧靠近所述大口径凹面反射镜处，另一个45°平面反射镜7设置光路的一侧，并靠近大口径平面反射镜两块小口径平面反射镜相邻设置在光路中部。

光脉冲8经过45°光学反射镜5、6，反射到小口径反射镜1上，通过该反射镜反射到大口径凹面反射镜3上，调节大口径凹面反射镜3的位置，使得光脉冲8反射到大口径平面反射镜4上，调节大口径平面反射镜4的位置使得光脉冲再次反射到大口径凹面反射镜3上，反复调节大口径凹面反射镜3以及大口径平面反射镜4的姿态，直到在两块大口径反射镜上的光点圆周对称均匀分布，如图3a和3b中所示。此时，相邻小口径平面反射镜1放置另外一块小口径平面反射镜2将光脉冲8导出该光路延时结构，完成对光脉冲8的延时。

本发明中的光路长度可通过下面的方法进行计算

设定光路延时系统的大口径平面镜的曲率半径R₁为无穷大，大口径凹面镜的曲率半径为R₂，两者之间的间距为L。当入射光束偏离中心光轴入射，并且大口径平面镜和大口径凹面镜满足一定条件时：即满足下面的式(4)，腔镜对光束的多次反射使得光束每经过一次镜面反射就有一个旋转角，改变入射光束相对光轴的角度，在每一个镜面上的反射光斑则组成一个椭圆或圆。根据激光的传输特性，光束在延时光路内往返一次的ABCD传输矩阵是：

$M_T=\left(\begin{array}{cc}1-\frac{2L}{R_2}& 2L(1-\frac{L}{R_2})\\ -\frac{2}{R_2}& 1-\frac{2L}{R_2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

光束在延时光路内传输n次的传输矩阵为：

${M_T}^n{\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)}^n=\left(\begin{array}{cc}\frac{A-D}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}& B\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ C\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}& \frac{D-A}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{A+D}{2}=1-\frac{2L}{R_2}---\left(3\right)$

要保证入射光束(即成高斯分布的高斯光束)经过该延时光路后，q因子保持不变，则需要满足M_T ⁿ＝(-1)^m。分析表明：只要在nθ＝mπ的条件下，等式(2)才能满足M_T ⁿ＝(-1)^m。这里n代表光线在腔内往返的次数，也代大口径镜片上光斑的个数(光斑个数，是否是光束从进入延时光路中开始到由光路中射出，在大口径镜片上形成的所有光斑数量？)。mπ代表光线绕光轴旋转的角度，n、m均为整数。根据等式(3)可以得到凹面镜的曲率半径R₂，凹面镜与平面镜之间的距离L，以及光线旋转的角度θ之间的关系，如下：

$L=\frac{R_2}{2}(1-\cos \frac{\mathrm{m\π}}{n})---\left(4\right)$

通过合理设置凹面镜和平面镜之间的距离，以及凹面镜的曲率半径就可以使得高斯光束通过该延时系统之后保持光束直径不发生变化，即q因子保持不变，图2a和2b显示的分别为q保持不变时，L和R2随着往返次数n的变化。当然，如果根据具体的实验需要，要求输入输出的光斑直径不相等，也可以通过调整大口径凹面反射镜和平面反射镜之间的距离以及凹面反射镜的曲率半径合理设置，也可以使得该延迟光路的q值不为1(q≠1)。

实际的调节过程中，将平面反射镜放置于一维平移台上，调节大口径平面反射镜与凹面反射镜之间的距离，观察输入输出光斑的大小，使输出光斑符合使用者需要。

下面结合附图和实施例对该发明进行详细的说明。

本实施例中，使用的大口径平面反射镜的直径为50mm，基片为厚度6mm的熔融石英，表面镀有700纳米至900纳米波段的全反膜，反射率大于95％。大口径凹面反射镜的直径为50mm，基片为厚度6mm的熔融石英，表面镀有700纳米至900纳米波段的全反膜，反射率大于95％。小口径平面反射镜直径为6mm，基片为厚度4mm的熔融石英。，表面镀有700纳米至900纳米波段的全反膜。45°平面反射镜的直径为25.4毫米，表面镀有700纳米至900纳米波段的全反膜。

以上参考附图，描述了本发明的优选实施例，但本发明不限于此，凡是本领域普通技术人员在本发明思想的启示下，做出的任何修改和变形，例如，改变大口径凹面镜的曲率半径，改变大口径凹面反射镜和平面反射镜之间的距离等，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光路延时装置：包括两块小口径光学反射镜，一块大口径凹面反射镜，一块大口径平面反射镜，三块45°平面反射镜(5、6、7)；光束经过45°光学反射镜(5、6)反射到其中一个所述小口径反射镜上，通过该反射镜反射到大口径凹面反射镜上，调节大口径凹面反射镜的位置，使得光束反射到大口径平面反射镜上，调节大口径平面反射镜的位置使得光束再次反射到大口径凹面反射镜上，光束在光路延时装置中完成对其延时后，由另一块小口径反射镜将其反射到靠近所述大孔径平面反射镜设置的45°光学反射镜(7)上射出所述光路延时装置，完成对所述光束的延时。

2.根据权利要求1中所述的光路延时装置，其特征为：该延时光路的q＝1。

3.根据权利要求2中所述的光路延时装置，其特征为：根据激光的传输特性，所述光束在延时光路内往返一次的ABCD传输矩阵是：

$M_T=\left(\begin{array}{cc}1-\frac{2L}{R_2}& 2L(1-\frac{L}{R_2})\\ -\frac{2}{R_2}& 1-\frac{2L}{R_2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

光束在延时光路内传输n次的传输矩阵为：

${M_T}^n{\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)}^n=\left(\begin{array}{cc}\frac{A-D}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}& B\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ C\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}& \frac{D-A}{2}\frac{\sin \mathrm{n\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}+\cos \mathrm{n\θ}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中： $\cos \mathrm{\θ}=\frac{A+D}{2}=1-\frac{2L}{R_2}---\left(3\right)$

在所述的θ角，满足nθ＝mπ的条件下所述q保持不变；其中，mπ代表光线绕光轴旋转的角度，n、m均为整数。

4.根据权利要求3中所述的光路延时装置，其特征为：根据所述等式(3)可以得到凹面镜的曲率半径R₂，凹面镜与平面镜之间的距离L，以及光线旋转的角度θ之间的关系，如下：

$L=\frac{R_2}{2}(1-\cos \frac{\mathrm{m\π}}{n})---\left(4\right).$

5.根据权利要求1中所述的光路延时装置，其特征为：通过反复调节所述大口径凹面反射镜以及大口径平面反射镜的位置，使所述光束在所述大口径凹面反射镜以及大口径平面反射镜上形成的光斑呈圆周对称均匀分布。

6.根据权利要求1中所述的光路延时装置，其特征为：将所述平面反射镜放置于一维平移台上，调节大口径平面反射镜与凹面反射镜之间的距离。

Images