CN105203208B - 级联快速旋转延迟扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联快速旋转延迟扫描装置，将两个或多个快速旋转延迟扫描器进行级联，各个旋转延迟扫描器台阶的高度差存在类似于进制的关系。两个或多个旋转延迟扫描器同时作用改变光程，当第一级的旋转延迟扫描器旋转一周时，第二级的旋转延迟扫描器旋转一个台阶。通过电学模块保证各个旋转延迟扫描装置旋转的初始位置相同，并且转速保持一定的比例。相比于单一快速旋转延迟扫描装置，本发明可以减小快速延迟扫描器的加工难度，并且在快速扫描的基础上极大的延长信号扫描长度。为时域信号的快速扫描提供了一种新的思路和方法。

Description

级联快速旋转延迟扫描装置

技术领域

本发明属于时域信号扫描领域，具体涉及级联快速旋转延迟扫描装置，可用于多种需要快速改变光程的场景中。

背景技术

时域信号扫描技术是一种基于激光的相干探测技术，其原理是两个时域脉冲相互干涉可以测得脉冲某一点处的值，通过改变两个脉冲的相对位置，可以扫描出整个脉动信号的大小。

当前的信号扫描普遍采用直线式扫描延迟线来改变光程达到扫描时域信号的目的，这种扫描方式速度很慢。而台阶式快速旋转延迟装置可以实现时域脉冲信号的高速扫描，旋转扫描器的台阶高度差越小，时域脉冲信号的时域分辨率越高，而高度差越小，所需加工的台阶数就越多，在旋转扫描器整体面积有效的情况下，每个台阶的面积也就越小，也就越来越难以加工实现。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种级联快速旋转延迟扫描装置。与单个台阶式快速旋转延迟扫描器相比，本发明提出两个台阶式快速旋转延迟扫描器相互级联可以大大降低对加工工艺的要求。

根据本发明提供的一种级联快速旋转延迟扫描装置，包括多级旋转延迟扫描器，各级旋转延迟扫描器之间采用如下方式级联：

-串联：各级旋转延迟扫描器放置在时域信号扫描的一条光路上，并且各级旋转延迟扫描器的旋转方向相同，即旋转方向都是光程增加的方向或都是光程减小的方向；

-并联：各级旋转延迟扫描器分别放置在时域信号扫描的两条光路上，这两条光路上的旋转延迟扫描器之间旋转方向相关，即一条光路上的旋转延迟扫描器的旋转方向是光程增加的方向，另一条光路上的旋转延迟扫描器的旋转方向是光程减小的方向。

优选地，相邻级旋转延迟扫描器的相邻台阶高度差之比为定值，台阶的高度是指台阶沿旋转延迟扫描器旋转轴轴向的高度。

优选地，旋转延迟扫描器台阶表面的法线与入射光的光轴重合，并且与旋转延迟扫描装置的旋转轴平行。

优选地，所述旋转延迟扫描器包括首尾依次相连构成圆环的多个台阶；

在一旋转延迟扫描器的全部台阶中，除了最高台阶与最低台阶之间之外，相邻台阶之间的高度差相等。

优选地，在各级旋转延迟扫描器中，相邻台阶之间的高度差与旋转延迟扫描器的转速成反比。

优选地，后一级旋转延迟扫描器中相邻台阶之间的高度差，等于前一级旋转延迟扫描器的台阶数与相邻台阶之间的高度差的乘积；

后一级旋转延迟扫描器的转速，等于前一级旋转延迟扫描器的转速除以后一级旋转延迟扫描器的台阶数的商值。

优选地，在旋转延迟扫描器之前设置有若干透镜，透镜用于对入射的激光进行汇聚或者缩束。

优选地，各级旋转延迟扫描器在初始时刻均处于零位，所述零位是指最高台阶和最低台阶的交界处。

在更多的优选方式中：

所述光路由多个激光分束器件和偏振器件形成。所述激光分束器件是指具有透射和反射激光的功能的器件，当前普遍所用的器件主要有两种，一种是透射和反射特性与入射光偏振性无关的，主要代表是分束片(BS)。另一种是透射和反射光特性与入射光偏振性相关的，主要有偏振分光棱镜(PBS)、偏振分束片、格兰-激光棱镜和其他偏振分光棱镜等。

所述的级联快速旋转延迟扫描装置的扫描长度是最高级(相邻台阶高度差最大)旋转延迟扫描器最高台阶和最低台阶的高度差；空间扫描分辨率是第一级(相邻台阶高度差最小)的相邻台阶高度差；扫描点数是所有旋转扫描器台阶数的乘积。

所述各级快速旋转延迟扫描器既可以串联使用，也可以并联使用。

在两个扫描器级联的设计中，在保证转速和转向满足要求的情况下，各级旋转延迟扫描器之间的位置是可以互换的。同样，在多个扫描器级联的设计中，各个扫描器的位置也是可以互换的。

还包括线偏振器件，线偏振器件可以改变光路中激光的偏振态或偏振方向，在实际应用中，只有入射光通过时，采用1/2波片、线偏振片、偏振分光片或者是各类分光棱镜(比如格兰-泰勒棱镜、格兰-激光棱镜、格兰-汤普生棱镜-布儒斯特棱镜、沃拉斯顿棱镜、洛匈棱镜)来改变光的偏振方向，使得入射光变为p光；当入射光和从旋转延迟扫描器反射的光都通过时，采用1/4波片来改变光的偏振方向。

第一级台阶式旋转延迟扫描器，多个高度差相等的光滑台阶首尾相接成一个类圆形的旋转器，台阶之间的高度差比较小，旋转器转速较快，台阶表面法线与旋转器旋转轴轴向同向。

第二级台阶式旋转延迟扫描器，多个高度差相等的光滑台阶首尾相接成一个圆形旋转器，台阶之间的高度差比较大，旋转器转速较慢。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以实现高速的时域信号扫描；

2、本发明降低了快速旋转延迟扫描器的加工难度；

3、本发明极大的提高了时域信号的扫描长度，有效的提高了频谱分辨率。

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是单个台阶式快速旋转延迟扫描器工作示意图。

图2是本发明采用PBS作为分光器件时的光路示意图。

图3是本发明的工作原理说明图。

图4是本发明采用BS作为分光器件时的光路示意图。

图5是本发明采用PBS作为分光器件和反射镜作为反射光器件时的光路示意图。

图6是本发明采用格兰-激光棱镜作为分光器件时的光路示意图。

1 是分光器件；

2 是第一级旋转延迟扫描器；

3 是第二级旋转延迟扫描器；

4 是1/2波片；

5 是1/4波片

6 是光隔离器

7 为反射镜

8 为格兰-激光棱镜

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种级联快速旋转延迟扫描装置，将两个或多个快速旋转延迟扫描器进行级联，各个旋转延迟扫描器台阶的高度差存在类似于进制的关系。两个或多个旋转延迟扫描器同时作用改变光程，当第一级的旋转延迟扫描器旋转一周时，第二级的旋转延迟扫描器旋转一个台阶。通过电学模块保证各个旋转延迟扫描装置旋转的初始位置相同，并且转速保持一定的比例。相比于单一快速旋转延迟扫描装置，本发明可以减小快速延迟扫描器的加工难度，并且在快速扫描的基础上极大的延长信号扫描长度。为时域信号的快速扫描提供了一种新的思路和方法。

图1是单个台阶式快速旋转延迟扫描器工作示意图，圆环上的每个格子代表不同高度差的台阶，虚线是快速旋转延迟扫描器的旋转轴，台阶法线方向与旋转轴轴向相同。实线箭头是入射光，其方向沿扫描器旋转轴轴向方向。

下面结合图2和图3对本发明的第一实施例作详细说明：

如图2所示，示出了作为分光器件的偏振分束器PBS、第一级旋转延迟扫描器、第二级旋转延迟扫描器、1/2波片、1/4波片；

偏振分束器PBS的作用是透过p光(p光偏振方向与入射面平行)，反射s光(s光偏振方向与入射面垂直)。当垂直入射时，透过的p光的方向与入射光的方向平行，反射的s光的方向与入射光的方向垂直；1/2波片的作用是把入射光调节为p光，在变化例中，1/2波片可以变化为线偏振片、偏振分光片或者是各类分光棱镜；图2中右侧的1/4波片的作用是调节有第二级旋转延迟扫描器反射的反射光的偏振方向。如图2所示，入射光被调节为p光后，可以近乎无损耗的通过图2中左侧的PBS。入射光经过图2中左侧的PBS和图2中左侧的1/4波片后入射到第一级旋转延迟扫描器2上，经反射后沿原路返回到图2中左侧的PBS上。入射光和反射光各经过一次1/4波片，调节1/4波片的光轴方向，可以使得从1/4波片出射的光变为s光。如此，反射回的光可以从图2中左侧的PBS近乎无损耗的反射出去。从图2中左侧的PBS反射出的光被图2中右侧的PBS近乎全部反射到第二级旋转延迟扫描器2上，被反射后近乎全部透过图2中右侧的PBS。

所述的两个快速旋转延迟扫描器的级联可升级为多个快速旋转延迟扫描器的级联。串联时，其工作方式与两个快速旋转延迟扫描器的时候类似。并联时，可以在时域扫描的两个光路上自由分配旋转扫描器。

图3是本发明的工作原理图。d是第一级旋转延迟扫描器的台阶高度，n是第一级旋转延迟扫描器的台阶数。中间的坐标轴表示时间。坐标轴上方的是第一级旋转延迟扫描器的工作场景，所能改变的最大光程为(n-1)d；坐标轴下方的是第二级旋转延迟扫描器的工作场景，第二级旋转延迟扫描器的台阶高度为nd。如图3所示，在初始时刻t₀时，两个旋转延迟扫描器都同时处于零位(最高台阶和最低台阶的交界处)，然后两个旋转延迟扫描器同时转动，并且转动方向相同。在t₁时刻时，第一级旋转延迟扫描器转完一周，第二级旋转延迟扫描器转完一个台阶，此时光程比初始时刻改变了(n-1)d。在下一个时刻，第一级旋转延迟扫描器转回到零点位置，而第二级旋转延迟扫描器向前递进一个台阶，此时光程比初始时刻改变了nd，完美的实现光程的连续改变。然后两个旋转扫描器以相同的方式继续旋转。当第二级旋转延迟扫描器旋转完一周时，完成一个时域信号的扫描。

图4是本发明第二实施例采用BS作为分光器件时的光路示意图，本领域技术人员可以将第二实施例理解为其它实施例的优选例和/或变化例。光隔离器的作用是防止反射光返回到激光器中。与图2所示第一实施例不同的是，在第二实施例中，用BS代替PBS，BS不能像PBS那样达到全反或者全透的效果，因此这种方案损失了大部分的激光能量，适用于初始激光能量远大于所需能量的光路中。值得注意的是光路中增加了一个隔离器，这对于保护激光器是很有必要的。这种方案的优点是光路简单，所需器件少。缺点是会造成激光能量的损失，并且要采取措施处理被反射到其他地方的激光。

图5是本发明第三实施例中采用PBS作为分光器件和反射镜作为反射光器件时的光路示意图。与图2所示第一实施例不同的是，在第三施例中，是把一个PBS换为反射镜。这样做的结果是改变了最终光的出射方向。这个光路中值得注意的一点是，反射镜必须安装在1/4波片的前面。

图6是本发明采第四实施例中采用格兰-激光棱镜作为分光器件时的光路示意图，本领域技术人员可以将第二实施例理解为其它实施例的优选例和/或变化例。两个格兰-激光棱镜之间的1/2波片的作用是将从第一格兰-激光棱镜出射的s光变为p光。与图2所示第一实施例不同的是，在第四施例中，是把PBS换为格兰-激光棱镜。需要注意的是，格兰-激光棱镜的反射光束与入射光束的方向不是垂直的。

上面列出了常用的几种光路，在此基础上还有其他变形：比如在光路中采用其他分光器件，比如格兰-泰勒棱镜、格兰-汤普生棱镜；在光路中不止采用一种激光分束器件，可以几种分束器件都采用；其他的分光器件与反射镜联合使用。

在实际光路搭建中，要采取措施遮挡或者吸收游离于主体光路之外的反射光，防止影响整个光路的效果。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种级联快速旋转延迟扫描装置，其特征在于，包括多级旋转延迟扫描器，各级旋转延迟扫描器之间采用如下方式级联：

串联：各级旋转延迟扫描器放置在时域信号扫描的一条光路上，并且各级旋转延迟扫描器的旋转方向相同，即旋转方向都是光程增加的方向或都是光程减小的方向；

或并联：各级旋转延迟扫描器分别放置在时域信号扫描的两条光路上，这两条光路上的旋转延迟扫描器之间旋转方向相关，即一条光路上的旋转延迟扫描器的旋转方向是光程增加的方向，另一条光路上的旋转延迟扫描器的旋转方向是光程减小的方向；

旋转延迟扫描器台阶表面的法线与入射光的光轴重合，并且与旋转延迟扫描装置的旋转轴平行；

所述旋转延迟扫描器包括首尾依次相连构成圆环的多个台阶；

在一旋转延迟扫描器的全部台阶中，除了最高台阶与最低台阶之间之外，相邻台阶之间的高度差相等；

在各级旋转延迟扫描器中，相邻台阶之间的高度差与旋转延迟扫描器的转速成反比；

后一级旋转延迟扫描器中相邻台阶之间的高度差，等于前一级旋转延迟扫描器的台阶数与相邻台阶之间的高度差的乘积；

后一级旋转延迟扫描器的转速，等于前一级旋转延迟扫描器的转速除以后一级旋转延迟扫描器的台阶数的商值。

2.根据权利要求1所述的级联快速旋转延迟扫描装置，其特征在于，相邻级旋转延迟扫描器的相邻台阶高度差之比为定值，台阶的高度是指台阶沿旋转延迟扫描器旋转轴轴向的高度。

3.根据权利要求1所述的级联快速旋转延迟扫描装置，其特征在于，在旋转延迟扫描器之前设置有若干透镜，透镜用于对入射的激光进行汇聚或者缩束。

4.根据权利要求1所述的级联快速旋转延迟扫描装置，其特征在于，各级旋转延迟扫描器在初始时刻均处于零位，所述零位是指最高台阶和最低台阶的交界处。