CN105044907B - 基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线 - Google Patents

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本发明公开了一种基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，包括螺旋阶梯反射镜和电机，螺旋阶梯反射镜为不规则圆柱形，圆柱形一端面为垂直于圆柱母线的平面结构，另一端面为沿圆周阶梯排列的多个小型平面反射镜，所述小型平面反射镜同圆柱形呈平面结构的一端面平行，小型平面反射镜的镜面同圆柱形呈平面结构的一端面的距离呈等差数列排列，螺旋阶梯反射镜安装在电机的输出轴上，由电机驱动螺旋阶梯平面反射镜绕圆柱的轴线转动，本发明的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线扫描速度快、结构紧凑、重复精度高、无畸变、加工工艺简单、可长时间的连续稳定工作，有助于推动太赫兹时域光谱测量系统的实用化。

Description

基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱测量技术领域，涉及缩短太赫兹时域光谱测量系统测谱时间的问题，具体指的是一种基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz至10THz之间的电磁波，具有光子能量低、对非极性物质穿透性强、瞬时性好、大带宽、可同时测量振幅和相位信息、高信噪比、光子能量处于许多生物大分子的振动能级和转动能级以及分子间的相互作用能级范围等特点。利用太赫兹的上述特性制作的太赫兹时域光谱测量系统，可以测量电介质材料、半导体材料、气体分子、超导材料及生物大分子等材料在太赫兹波段的光谱信息，成为傅里叶变换红外光谱仪的补充，在生物学、医学、微电子学、农业、国防、航空等领域表现出了极大的应用潜力。光学延迟线是通过光学手段实现相干光脉冲之间精确可控的相对时间延迟的装置，是太赫兹时域光谱测量系统中实现快速测谱和成像的关键部件。
目前实验室内最常用的光学延迟线，多数是基于步进电机驱动丝杠从而推动固定有背向反射器的滑动平台沿导轨往返运动实现的。由于步进电机在启停反转时，需要克服机械惯性频繁加减速，因此很难实现高速扫描，难以实用化。中国专利“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”(专利申请号：200810154189.4)提出了一种利用倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期旋转，实现入射光束的固定角度偏转和周期性光程改变，并利用背向反射镜实现光束的原路返回，实现光学时间延迟的方案。该方案虽然利用反射镜的周期旋转代替了背向器的直线往复运动，提高了扫描速度，但其同时存在以下问题：
(1)因倾斜抛物型母线螺旋面反射镜反射面为曲面，反射光存在畸变；
(2)入射光和反射光存在夹角，需要额外在倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的反射光路上，布置背向反射镜才能使光路沿原路返回，导致系统结构不紧凑；
(3)因为倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的面为曲面，且光学反射镜对于镜面的要求较高，因此镜面的加工的精度要求极高，加工费用昂贵；
(4)由于不对称反射镜的重心并不在其旋转轴线上，在电机驱动高速旋转时，会产生振动导致光学延迟线工作的不稳定。
因此在太赫兹时域光谱测量领域，对可同时实现快速扫描、无畸变、延迟范围大、重复精度高且结构紧凑的光学延迟线的需要十分迫切。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，该光学延迟线扫描速度快、结构紧凑、重复精度高、无畸变、加工工艺简单、可长时间的连续稳定工作。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方法如下：
一种基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，包括螺旋阶梯反射镜和电机，螺旋阶梯反射镜为不规则圆柱形，圆柱形一端面为垂直于圆柱母线的平面结构，另一端面为沿圆周阶梯排列的多个小型平面反射镜，所述小型平面反射镜同圆柱形呈平面结构的一端面平行，小型平面反射镜的镜面同圆柱形呈平面结构的一端面的距离呈等差数列排列，螺旋阶梯反射镜安装在电机的输出轴上，由电机驱动螺旋阶梯平面反射镜绕圆柱的轴线转动。
所述螺旋阶梯反射镜的重心在圆柱轴线上，减小旋转时的转动惯量。
所述螺旋阶梯反射镜是由高强度、低密度金属或光学微晶玻璃的轻量化结构材料制成。
所述螺旋阶梯反射镜材料为铝合金、镁合金、钛合金。
所述螺旋阶梯反射镜的圆柱直径范围为10mm-100mm。
沿圆周阶梯分布的小型平面反射镜的个数为5-500个。
相邻小型平面反射镜同圆柱形呈平面结构的一端面的距离差范围为1μm-200μm。
所述电机为中空轴电机，以增加电机输出轴的同轴度。
所述螺旋阶梯反射镜通过螺钉直接安装在电机输出轴的一端，不需另外使用轴承和轴承座，增加结构紧凑度。
所述电机固定在底座上。
本发明所提供的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线的工作原理为：利用螺旋阶梯反射镜绕其轴线的旋转，实现以固定方向入射在螺旋阶梯反射镜小型平面镜上的脉冲光以垂直角度反射原路返回，同螺旋阶梯反射镜另一端面的距离呈等差数列排列的多个小型反射镜，使得反射光线的光程发生周期性改变，以此实现光学延迟线的快速扫描。
相比于现有技术，本发明有如下优点：
1、采用螺旋阶梯反射镜转动实现快速扫描，避免了丝杠传动时电机频繁的启停，可以实现快速的扫描，重复精度高；
2、采用阶梯分布的多个小型平面反射镜代替曲面反射镜，反射光线直接原路返回，无需添加背向反射镜校正，使得结构紧凑，同时平面反射镜加工简单，精度更高，简化了加工工艺，消除了曲面反射时产生的畸变；
3、对螺旋阶梯反射镜进行轻量化减重和重心优化设计，使得螺旋阶梯反射镜的转动惯量更小，运行更加平稳；
4、采用中空轴电机直接驱动螺旋阶梯反射镜的方式，不需要使用轴承和轴承座，使得结构更加紧凑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明所提供的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线的三维结构图；
图2是基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线中螺旋阶梯反射镜的三维结构图；
图3是基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线中使用的中空轴电机的结构图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2和附图3对本发明的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线的一个实施例的具体实施方式作详细说明：
如图1所示，本实施例中，基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，包括螺旋阶梯反射镜1、电机2和底座3。如图2所示，螺旋阶梯反射镜1为不规则圆柱形，圆柱形一个端面1a为垂直于圆柱母线的平面结构，另一端面为沿圆周阶梯排列的30个小型平面反射镜1b，每个小型平面反射镜1b都同端面1a平行，小型平面反射镜1b镜面同端面1a的距离呈等差数列排列。螺旋阶梯反射镜1安装在图3所示电机2的输出轴2b上，电机2驱动螺旋阶梯平面反射镜1绕圆柱的轴线转动，电机2固定在底座3上。
本实施例中，螺旋阶梯反射镜1的材料为高强度、低密度的金属材料镁合金，结构为轻量化结构。螺旋阶梯反射镜1镜体上开有减重孔1c,并对减重孔1c的大小位置等进行了结构优化设计，使螺旋阶梯反射镜1的重心在圆柱轴线上，以减小旋转时的转动惯量，降低驱动电机2的最小尺寸，增加工作的平稳性。本实施例中螺旋阶梯反射镜1圆柱直径为40mm，沿圆周阶梯分布的小型平面反射镜的个数为30个，相邻小型平面反射镜同端面1a之间的距离差为50μm。电机2为中空轴电机，以增加电机输出轴2b同电机2a之间的同轴度精度，同时，螺旋阶梯反射镜1可以通过1d和电机输出轴2b中心定位后，利用固定孔1e通过螺钉直接安装在电机输出轴2b的一端，不需另外使用轴承和轴承座，增加了结构的紧凑度。
本实施例中，光学延迟线利用螺旋阶梯反射镜1绕其轴线的旋转，实现以固定方向入射在螺旋阶梯反射镜小型平面反射镜1b上的脉冲光以垂直角度反射原路返回，同螺旋阶梯反射镜1一端面1a的距离呈等差数列排列的多个小型平面反射镜1b，使得反射光线的光程发生周期性改变，以此实现光学延迟线的快速扫描。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，包括螺旋阶梯反射镜和电机，螺旋阶梯反射镜为不规则圆柱形，螺旋阶梯反射镜安装在电机的输出轴上，由电机驱动螺旋阶梯平面反射镜绕圆柱的轴线转动，其特征在于，圆柱形一端面为垂直于圆柱母线的平面结构，另一端面为沿圆周阶梯排列的多个小型平面反射镜，所述小型平面反射镜同圆柱形呈平面结构的一端面平行，小型平面反射镜的镜面同圆柱形呈平面结构的一端面的距离呈等差数列排列，所述电机固定在底座上。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述螺旋阶梯反射镜的重心在圆柱轴线上，减小旋转时的转动惯量。
3.根据权利要求2所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述螺旋阶梯反射镜是由高强度、低密度金属或光学微晶玻璃的轻量化结构材料制成。
4.根据权利要求3所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述螺旋阶梯反射镜所采用的金属材料为铝合金、镁合金、钛合金。
5.根据权利要求2所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述螺旋阶梯反射镜的圆柱直径范围为10mm-100mm。
6.根据权利要求5所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，沿圆周阶梯分布的小型平面反射镜的个数为5-500个。
7.根据权利要求5所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，相邻小型平面反射镜同圆柱形呈平面结构的一端面的距离差范围为1μm-200μm。
8.根据权利要求1所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述电机为中空轴电机，以增加电机输出轴的同轴度。
9.根据权利要求8所述的基于螺旋阶梯反射镜的快速扫描光学延迟线，其特征在于，所述螺旋阶梯反射镜通过螺钉直接安装在电机输出轴的一端，不需另外使用轴承和轴承座，增加结构紧凑度。
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