CN102879898A

CN102879898A - 一种自动可调谐多光程系统

Info

Publication number: CN102879898A
Application number: CN2012103719385A
Authority: CN
Inventors: 魏计林; 李传亮; 邱选兵; 李晋红; 李坤; 吕艳; 杨牧
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102879898B

Abstract

本发明公开了一种痕量气体光谱探测和自由空间光通信中激光与大气相互作用的动力学特性研究领域，特别是涉及一种自动可调谐多光程系统，包括角度旋转装置、长度调节装置、支架、电机支架、步进电机、DSP控制器和一个呈圆柱体的可以保持真空度且能承受一定高压的主体，本发明根据光程的要求输入到DSP控制器，经过DSP控制器计算出凹面反射镜旋转的角度，以及旋转此角度压电晶体（PZT）所需电压，输出信号触发驱动实现角度的自动旋转，同时驱动步进电机，带动波纹管拉伸或压缩，实现反射池的距离d的水平伸长和压缩，具有高精度、高灵敏度、操作简单、自动控制功能的自动可调谐多光程系统。

Description

一种自动可调谐多光程系统

技术领域

本发明涉及一种痕量气体光谱探测和自由空间光通信中激光与大气相互作用的动力学特性研究领域，特别是涉及一种自动可调谐多光程系统。

背景技术

多光程池大致可分为共振型多光程池和非共振型多光程池。共振型多光程池调节比较复杂且对光源要求比较高，并且在测量中要保证光与多光程池严格共振，因而实际应用中不是很方便。最简单的非共振型多光程池可通过两平面反射镜实现，如专利申请号为：201110131656.3一种用于吸收光谱测定的气体吸收池，通过两片平面反射镜增加吸收光程，提高光谱测定灵敏度，然而反射次数受限于平面反射镜的尺寸，另外就是最常用利用三面凹面反射镜构成的White池[1] White, John (1942). "Long Optical Paths of Large Aperture"。Journal of the Optical Society of America 32 (5): 285 具有反射次数容易控制，通光孔径大等优点，然而稳定性上要比Herriott池[2] D.Herriott, H.Kogelinik, R.Kompfner. Appl. Opt, 1964, 3(4): 523~526要差，并且Herriott池只有两片镜子，具有定位更加简单和受机械加工偏差影响较小的优点。然而这两种传统的多光程池同普通的两片平面反射镜构成的多光程池一样，有效光程相对较短。为了弥补这一点，专利申请号：200410065013.3可调谐多次反射光学吸收的方法及装置对传统的Herriott池做了改进，将其中一块平面反射镜均分为两片，大大提高了有效光程。然而这种结构在调节三片反射镜共轴时带来了不便，且反射镜调节的角度非常小，不易调节。为此我们提出了将其中一面凹面腔镜用平面腔镜代替，这样大大简化了共轴调节，并用压电晶体的伸缩控制角度的微小变化，大大提高了调节精度。

发明内容

本发明的一种自动可调谐多光程系统，克服了现有技术存在的不足，提供一种具有高精度、高灵敏度、操作简单、具有自动控制功能的可调谐多光程系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的一种自动可调谐多光程系统，包括角度旋转装置、长度调节装置、DSP控制器和一个呈圆柱体的可以保持真空度且能承受一定高压的主体，所述主体结构为：中部为直管，直管的两侧均设置有可伸缩的波纹管，两侧的所述波纹管均与所述直管之间均固定有卡环，所述波纹管的外侧均设置有端盖，所述直管、波纹管和端盖使主体呈一个密闭容器，两侧的所述端盖均向外延伸形成环状的卡接部，所述主体两侧的所述卡环与所述连接部之间均设置有三组与中心对称的固定装置。

所述主体内一侧的端盖处装有平面反射镜，所述主体与所述平面反射镜对应的端盖上设光入射口和光出射口，所述主体内另一侧的端盖处装有凹面反射镜组，所述角度旋转装置安装在所述凹面反射镜组对应的端盖上且用于改变所述凹面反射镜组水平角度。

两侧的所述端盖的外侧均固定连接有长度调节装置，所述长度调节装置用于拉伸或压缩端盖，以带动波纹管拉伸或压缩，从而改变主体的水平距离。

所述DSP控制器用于驱动所述长度调节装置运动和自动控制所述的角度旋转装置的水平旋转角度。

所述的凹面反射镜组由两个半圆共轴的凹面反射镜组成，下半部凹面反射镜固定，上半部凹面反射镜可改变其水平旋转的角度，所述下半部凹面反射镜与所述上半部凹面反射镜通过凹镜接触面固定轴连接，所述上半部凹面反射镜与端盖之间设置有弹簧。

所述角度旋转装置为两个，两个所述角度旋转装置水平安装在与上半部凹面反射镜对应的所述端盖上，所述角度旋转装置为压电晶体调节器，所述压电晶体调节器包括后座、压电晶体和活动塞，所述后座内安装有向外延伸的活动塞，所述活动塞延伸至所述上半部凹面反射镜的端面，所述压电晶体设置在所述后座与所述活动塞之间用于驱动活动塞运动。

所述长度调节装置为步进电机，所述步进电机的输出轴与端盖连接。

所述固定装置包括导轨和卡块，所述卡环与所述卡接部均设置有对应的通孔，所述导轨贯穿所述卡环与所述卡接部之间且两端均相外延伸，所述导轨的两端均设有卡块。

所述DSP控制器包括高速DSP处理器、步进电机驱动电路和压电晶体驱动电路，所述高速DSP处理器用于控制所述步进电机驱动电路与压电晶体驱动电路，所述步进电机驱动电路用于驱动所述步进电机输出轴的前进或后退，所述压电晶体驱动电路用于改变其电压，从而改变所述压电晶体的驱动电压，使其长度伸缩或缩短，从而推动活动塞伸长或缩短。

所述主体的顶部设有进口管路，所述进气管路与外部标准样品气体连通，所述主体的底部设有出口管路，所述出口管路完全密封或连接真空泵。

还包括支架，所述主体固定在所述支架上，所述支架固定在光学平台上。

还包括电机支架，所述步进电机固定在所述电机支架上，所述电机支架固定在光学平台上。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

一、易于调谐：本发明装置采用平面反射镜和凹面镜组构成光学系统，与采用两块凹面镜组成的吸收池相比，只要将装置两端镜面调节平行就可以了，免去了共轴调节麻烦。

二、增加了光程长度：与传统的Herriott池相比，此装置可以通过调节凹面镜的旋转角度可以使光斑在镜面上实现多周期反射，大大增加了光程长度。

三、角度和长度自动调节：根据光程的要求输入到DSP控制器，经过DSP控制器计算出凹面反射镜旋转的角度，以及旋转此角度压电晶体（PZT）所需电压，输出信号触发驱动实现角度的自动旋转，同时驱动步进电机，带动波纹管拉伸或压缩，实现反射池的距离d的水平伸长和压缩。

附图说明

图1是本发明中一种可调谐多光程装置结构示意图。

图2是本发明中一种可调谐多光程装置的侧视结构示意图。

图3是本发明中角度调节装置的结构示意图。

图4是本发明中压电晶体调节器结构示意图。

图5是本发明中具有三镜光学结构的多次反射装置光路结构示意图。

图6是本发明中的焦距为2L0的两块焦距相同的共轴Herriott型反射示意图。

图7为本发明中的平面反射镜镜面上的反射光斑分布结构示意图。

图8是本发明中多光程装置控制原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1—图8所示，本发明的一种自动可调谐多光程系统，包括角度旋转装置25、支架2、电机支架16、DSP控制器和一个呈圆柱体的可以保持真空度且能承受一定高压的主体1，主体1固定在支架2上，支架2固定在光学平台3上，主体1的顶部设有进口管路4，进气管路4与外部标准样品气体连通，在进口管路4上设置有控制阀门，主体1的底部设有出口管路5，出口管路5完全密封或连接真空泵，在出口管路5上设置有调节阀门。

主体1结构为：中部为直管6，直管6的一侧设置有可伸缩的左波纹管7，直管6的另一侧设置有可伸缩的右波纹管8，左波纹管7和右波纹管8为201不锈钢金属波纹管，具有高温、高压、耐腐蚀的特性，左波纹管7和右波纹管8均与直管6之间均固定有卡环9，左波纹管7的外侧设置有左端盖10，右波纹管8的外侧设置有右端盖11，直管6、左波纹管7、右波纹管8、左端盖10和右端盖11使主体1呈一个密闭容器，主体1是一个可以保持真空度且能承受一定高压的密闭容器，左端盖10和右端盖11均向外延伸形成环状的卡接部12，主体1两侧的卡环9与连接部12之间均设置有三组与中心对称的固定装置；

固定装置包括导轨13和卡块14，卡环9与卡接部12均设置有对应的通孔，导轨13贯穿卡环9与卡接部12之间且两端均相外延伸，导轨13的两端均设有卡块14，位于内侧的卡块14固定连接，位于外侧的卡块14可以沿导轨13活动固定，左端盖10和右端盖11的外侧均固定连接有长度调节装置，长度调节装置为步进电机15，步进电机15固定在电机支架16上，电机支架16固定在光学平台3上，两侧的步进电机15分别与左端盖10和右端盖11固定连接，步进电机15用于拉伸或压缩左端盖10和右端盖11，从而使左波纹管7和右波纹管8拉伸或压缩，从而改变主体1的水平距离。

主体1内一侧的右端盖11处装有平面反射镜17，平面反射镜17是一种具有高度反射系数的平面反射镜17，为金膜高度反射平面反射镜17，其反射率不小于99.5%，激光在反射池中的反射次数不低于100次，主体1与平面反射镜17对应的右端盖11上设光入射口18和光出射口19，主体1内另一侧的左端盖10处装有凹面反射镜组20，凹面反射镜组20由两个半圆共轴的凹面反射镜组成，下半部凹面反射镜22固定，上半部凹面反射镜21可改变其水平旋转的角度，下半部凹面反射镜22与上半部凹面反射镜21通过凹镜接触面固定轴23连接，上半部凹面反射镜21与左端盖10之间设置有弹簧24。

角度旋转装置25为两个，两个角度旋转装置25水平安装在与上半部凹面反射镜21对应的左端盖10上，角度旋转装置25为压电晶体调节器，压电晶体调节器包括后座251、压电晶体252和活动塞253，后座251内安装有向外延伸的活动塞253，活动塞253延伸至上半部凹面反射镜21的端面，压电晶体252设置在后座251与活动塞253之间用于驱动活动塞253运动，用于改变凹面反射镜组20水平角度。

DSP控制器包括高速DSP处理器261、步进电机驱动电路262和压电晶体驱动电路263，高速DSP处理器261用于控制步进电机驱动电路262与压电晶体驱动电路263，步进电机驱动电路262用于驱动步进电机15输出轴的前进或后退，压电晶体驱动电路263用于改变其电压，从而改变压电晶体252的驱动电压，使其长度伸缩或缩短，从而推动活动塞253伸长或缩短。

DSP控制器还连接有用于传输数据的USB通信27和用于显示的液晶显示器28，电源29为整个装置供电。

所述的多光程水平位移的调节过程如下：

高速DSP处理器261控制的步进电机驱动电路262，从而控制步进电机15的输出轴水平位移距离，具体如下：步进电机驱动电路162驱动左方的步进电机15和右方的步进电机15，从而带动左波纹管7和右波纹管8的压缩或伸长，平面反射镜17、凹面反射镜组20也做水平的前进或后退，从而实现光程的水平自动调节，满足不同光程测试需要，通过固定装置的固定，防止左波纹管7和右波纹管8晃动。

所述的多光程绕垂轴水平旋转调节过程如下：

凹镜接触面固定轴23使得上半部凹面反射镜21可以绕垂直的凹镜接触面固定轴23转动，高速DSP处理器261控制压电晶体驱动电路263，改变其电压，从而改变压电晶体252的驱动电压，致使其长度伸缩，从而推动活动塞253的伸长或缩短，当位于前面的角度旋转装置25中的压电晶体252的电压增大时，则位于后侧的角度旋转装置25中的压电晶体252电压减小，两者的驱动电压成对称关系，于是前面的压电晶体252推动活动塞253往前运动（伸长），位于后侧的压电晶体252推动活动塞253往后（压缩）运动，从而使凹面镜组20的上半部凹面反射镜21沿着凹镜接触面固定轴23轴逆时针方向转动，如果前面的压电晶体252推动活动塞253往后运动（压缩），位于后侧的压电晶体252推动活动塞253往前运动（伸长），从而使凹面镜组20的上半部凹面反射镜21沿着凹镜接触面固定轴23顺时针方向转动。

本发明工作原理为：光束由光入射口18进入主体1中，在平面反射镜17和凹面反射镜组20之间形成多次反射，最后光束通过光出射口19射出，DSP控制器控制步进电机15输出轴的运动，从而压缩或拉伸左波纹管7和右波纹管8，从而实现光程的水平距离d自动调节，同时通过角度旋转装置25改变凹面反射镜组20的上半部凹面镜21的角度，从而实现光斑在镜面上的多周期反射，达到增加光程的目的。

多光程系统的光路计算过程如下：

在图5中，一块曲率半径为

的凹面反射镜从中间切成上半部凹面反射镜21和下半部凹面反射镜22，上半部凹面反射镜21和下半部凹面反射镜22与平面反射镜17，三镜平行放置，共同构成平-凹稳定腔。下半部凹面反射镜22﹑平面反射镜17两镜固定不动，上半部凹面反射镜21和下半部凹面反射镜22在切割线连接处重合，平面反射镜17平行于凹面镜切割线两端开槽孔，使两槽孔平行于切割线，两槽孔的尺寸大于入射光斑和出射光斑，并且不影响相邻光斑的反射，激光束从平面反射镜17上任一个槽孔水平入射，经过在腔内多次反射后最终从另外一个槽孔出射，通过角度旋转装置25的转动角度，凹面镜在平面反射镜17上曲率中心位置改变，此时图5可以等效为焦距为2L0的两块焦距相同的共轴Herriott型反射装置，如图6所示。

光束从平面反射镜17水平入射，凹面镜上第一次反射光斑的初始位置可以表示成（x₀, y₀），那么在第2n次反射后凹面镜的投影点坐标可以表示成（x_2n, y_2n），则

（1）

（2）

，

，

（3）

式中，k₀表示镜面上每一圈光斑数。由（1）~（3）可以看出反射光斑在凹面镜面上投影都是一个椭圆。

若上半部凹面反射镜21镜片，使其在水平面上旋转一小角度，那么上半部凹面反射镜21的主光轴和下半部凹面反射镜22的主光轴不在同一条直线上，即上半部凹面反射镜21和下半部凹面反射镜22的主光轴在平面反射镜17上产生位移偏量。此时在镜面上的反射光斑分布等效于多个相同的Herriott池的组合叠加，从图7可以看出，与传统的Herriott池的光斑图样相比，改进装置腔镜上的光斑位置在水平方向上平行移动，竖直方向上保持不变。

镜面上每一圈光斑的大小按正弦规律变化，并且在2nӨ+φ=π/2或3π/2时，光斑尺寸取最大，在

或π时，光斑尺寸取最小，镜面上光斑尺寸呈现周期性变化。在图5中，d₁，d₂为两半块凹面镜在平面反射镜17上的曲率中心位置，数字a~i表示在平面反射镜17水平轴线方向上入射孔与出射孔之间的光斑位置，若上半部凹面反射镜21转动特定角度φ，上半部凹面反射镜21和下半部凹面反射镜22光轴在平面反射镜17上的中心偏移量：

。则平面反射镜17水平轴线上两相邻光斑之间的距离d_n,n-1与d₀相等，即

（4）

设平面反射镜17入射槽孔和出射槽孔在水平轴线上有N个光斑，则入射光线在光学系统中循环了

次。设每一个椭圆的光斑个数为k0，平面反射镜17上光斑总数为K。入射槽孔与出射槽孔之间的间距为D，有

（5）

（6）

由上式可知，d₀越小，则循环圈数越多，反射次数越多。若光束正好从出射口出射，镜面上两孔间距D必须是光轴偏移位移d₀整数倍。

由（14）、（15）可得等效总光程L_eff

（7）

由（16）可以看出，镜片尺寸D是影响光斑数的重要指标，镜面尺寸D越大，镜片之间被约束的光束越多，光斑数目增大。两光轴偏移量d₀越小，得到的光斑圈数越多。

上半部凹面反射镜21水平旋转角度φ，两凹面镜在平面反射镜17上曲率中心位置的偏移位移d₀为：

（8）

由（16），（17）可得等效总光程L_eff为：

（9）

综合上述，具有如下好处：

一、改进后的装置可以通过调节镜面曲率半径R和镜面的间距L₀的比例来增大镜面上每圈的光斑数，从而增大反射次数；通过改变上半部凹面反射镜21的旋转角度φ₀，增大镜面上原始光斑的循环次数。

二、增加了光程，同时也大大简化了腔镜共轴调节的麻烦，使得平行调节变的简便可行。

应当指出，本发明中的步进电机15还可以采用油缸或气缸驱动，应当视为同类的保护。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：包括角度旋转装置、长度调节装置、DSP控制器和一个呈圆柱体的可以保持真空度且能承受一定高压的主体，所述主体结构为：中部为直管，直管的两侧均设置有可伸缩的波纹管，两侧的所述波纹管均与所述直管之间均固定有卡环，所述波纹管的外侧均设置有端盖，所述直管、波纹管和端盖使主体呈一个密闭容器，两侧的所述端盖均向外延伸形成环状的卡接部，所述主体两侧的所述卡环与所述连接部之间均设置有三组与中心对称的固定装置；

所述主体内一侧的端盖处装有平面反射镜，所述主体与所述平面反射镜对应的端盖上设光入射口和光出射口，所述主体内另一侧的端盖处装有凹面反射镜组，所述角度旋转装置安装在所述凹面反射镜组对应的端盖上且用于改变所述凹面反射镜组水平角度；

两侧的所述端盖的外侧均固定连接有长度调节装置，所述长度调节装置用于拉伸或压缩端盖，以带动波纹管拉伸或压缩，从而改变主体的水平距离；

2.如权利要求1所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述的凹面反射镜组由两个半圆共轴的凹面反射镜组成，下半部凹面反射镜固定，上半部凹面反射镜可改变其水平旋转的角度，所述下半部凹面反射镜与所述上半部凹面反射镜通过凹镜接触面固定轴连接，所述上半部凹面反射镜与端盖之间设置有弹簧。

3.如权利要求2所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述角度旋转装置为两个，两个所述角度旋转装置水平安装在与上半部凹面反射镜对应的所述端盖上，所述角度旋转装置为压电晶体调节器，所述压电晶体调节器包括后座、压电晶体和活动塞，所述后座内安装有向外延伸的活动塞，所述活动塞延伸至所述上半部凹面反射镜的端面，所述压电晶体设置在所述后座与所述活动塞之间用于驱动活动塞运动。

4.如权利要求1任意一项所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述长度调节装置为步进电机，所述步进电机的输出轴与端盖连接。

5.如权利要求4任意一项所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述固定装置包括导轨和卡块，所述卡环与所述卡接部均设置有对应的通孔，所述导轨贯穿所述卡环与所述卡接部之间且两端均相外延伸，所述导轨的两端均设有卡块。

6.如权利要求3或5所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述DSP控制器包括高速DSP处理器、步进电机驱动电路和压电晶体驱动电路，所述高速DSP处理器用于控制所述步进电机驱动电路与压电晶体驱动电路，所述步进电机驱动电路用于驱动所述步进电机输出轴的前进或后退，所述压电晶体驱动电路用于改变其电压，从而改变所述压电晶体的驱动电压，使其长度伸缩或缩短，从而推动活动塞伸长或缩短。

7.如权利要求1—6任意一项所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：所述主体的顶部设有进口管路，所述进气管路与外部标准样品气体连通，所述主体的底部设有出口管路，所述出口管路完全密封或连接真空泵。

8.如权利要求1—7任意一项所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：还包括支架，所述主体固定在所述支架上，所述支架固定在光学平台上。

9.如权利要求1—8任意一项所述的一种自动可调谐多光程系统，其特征在于：还包括电机支架，所述步进电机固定在所述电机支架上，所述电机支架固定在光学平台上。