CN105589209A - 一种色散补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色散补偿装置，包括开普勒望远系统和第一衍射透镜、第二衍射透镜，开普勒望远系统由前透镜组和后透镜组组成，前透镜组的后焦平面与后透镜组的前焦平面重合，形成共焦面，第一衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统前透镜组焦距的六分之一到四分之一范围内，第二衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统后透镜组焦距的五分之一到四分之一范围内；第一衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距，第二衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距。本发明解决现有色散补偿装置只能补偿光栅特定衍射级或光栅常数的色散问题，实现对光束不同衍射角的不同色散进行同时补偿。

Description

一种色散补偿装置

技术领域

本发明属于色散补偿技术领域，尤其涉及一种色散补偿装置。

背景技术

声光偏转器是一种基于声波在声光晶体内传播形成的声场衍射光栅并利用衍射光进行扫描的扫描元件。改变声光偏转器中声波的频率即改变了声光偏转器光栅的光栅常数，也就改变了衍射光的衍射角从而实现了衍射光的扫描。声波频率的改变通过电子电路和压电换能器实现，可以达到很高的速度并且因为不存在机械惯性的作用能够很快地稳定于一个指定频率，因而衍射角变化的速度也非常快，能够以很高的速度扫描光束至指定的扫描位置，即具有高速随机寻访能力。

但是有一定光谱宽度的光束经过声光偏转器时，和光栅一样，声光偏转器对不同波长光的偏转角不同，各光谱成分在空间上被分离开来，这就引入空间角色散。利用棱镜或光栅对角色散补偿是光学领域常用的手段，但是这种补偿方法只能只对特定衍射级次和光栅常数进行补偿，在有些情况下无法对角色散完全补偿。声光偏转器不同扫描角，光栅常数不同，引入不同角色散，使用棱镜或光栅只能部分补偿，一般只能完全补偿特定偏转角的空间色散，其余偏转角有残余色散。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种色散补偿装置，解决色散补偿装置只能补偿光栅特定衍射级或光栅常数的色散问题，实现对光束不同衍射角的不同色散进行同时补偿。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种色散补偿装置，包括开普勒望远系统和第一衍射透镜、第二衍射透镜，开普勒望远系统由前透镜组和后透镜组组成，前透镜组的后焦平面与后透镜组的前焦平面重合，形成共焦面，第一衍射透镜位于开普勒望远系统的前透镜组和共焦面之间，第二衍射透镜位于共焦面和开普勒望远系统的后透镜组之间，第一衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统前透镜组焦距的六分之一到四分之一范围内，第二衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统后透镜组焦距的五分之一到四分之一范围内；第一衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距，第二衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距。

按上述技术方案，第一衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面，第二衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面。

按上述技术方案，开普勒望远系统的前透镜组和后透镜组均为消色差双胶合透镜组，前透镜组和后透镜组的焦距范围均为180mm～300mm，前透镜组和后透镜组的焦距比由光束直径放大倍率决定，前透镜组和后透镜组之间的距离为前透镜组和后透镜组的焦距之和。

按上述技术方案，第一衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ1、第二衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ2的符号相异，并且它们之间的大小关系为，绝对值大小相差不超过A_λ1的15％，对一束光引入一个角色散。

色散补偿装置对不同衍射角的光束同时补偿不同的角色散。不同角度的光束进入开普勒望远系统后，通过第一衍射透镜、第二衍射透镜各自不同的径向位置，引入不同的色散量。第一衍射透镜、第二衍射透镜的光焦度均远远小于组成开普勒望远系统的前透镜组和后透镜组，对开普勒望远系统原有光路影响可以忽略，可认为只引入色散。

本发明的原理为，一束有一定宽带的光束通过一个二元光学衍射面，如图1所示，λ₀为中心波长,m为衍射级,为二元光学面的相位参数。两种不同波长光的光程差为：

从式(1)可以知道，通过控制二元光学衍射面的相位参数可以补偿由材料及其他原因引入的色散，而补偿能力则取决于相位参数的大小，在此所讨论的范围内，可以利用光线追迹的办法对二元光学器件进行色差补偿设计,从而进行色散补偿设计。

在旋转对称二元光学衍射面的相位函数表示形式为：

式(1)中r为径向坐标，A_λ和G_λ为二次相位系数和四次相位系数。由式(1)可以得出r与相位参数的关系，再根据公式(1)，可以在不同径向坐标处引入不同的色散量，实现不同色散补偿。

本发明产生的有益效果是：本发明色散补偿装置对光栅不同衍射角色散同时补偿。色散补偿装置以零色散光束的主光线为光轴，不同衍射角的光束以不同的入射角进入开普勒望远系统，不同的入射角拥有不同的角色散，在开普勒望远系统中，不同衍射角在空间上分开，使不同衍射角对应着衍射透镜不同的位置，第一衍射透镜、第二衍射透镜引入不同的色散量对各衍射角光束的不同剩余色散一一补偿。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是二元光学衍射面的光路追迹示意图；

图2是本发明实施例色散补偿装置的原理图；

图3是本发明实施例中色散补偿装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种色散补偿装置，如图2所示，包括开普勒望远系统和第一衍射透镜2、第二衍射透镜3，开普勒望远系统由前透镜组1和后透镜组4组成，前透镜组的后焦平面与后透镜组的前焦平面重合，形成共焦面，第一衍射透镜位于开普勒望远系统的前透镜组和共焦面之间，第二衍射透镜位于共焦面和开普勒望远系统的后透镜组之间，第一衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统前透镜组焦距的六分之一到四分之一范围内，第二衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统后透镜组焦距的五分之一到四分之一范围内；第一衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距，第二衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距。

进一步地，第一衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面，第二衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面。

本发明实施例中，进一步地，开普勒望远系统的前透镜组和后透镜组均为消色差双胶合透镜组，前透镜组和后透镜组的焦距范围均为180mm～300mm，前透镜组和后透镜组的焦距比由光束直径放大倍率决定，前透镜组和后透镜组之间的距离为前透镜组和后透镜组的焦距之和。

进一步地，第一衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ1、第二衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ2的符号相异，并且它们之间的大小关系为绝对值大小相差不超过A_λ1的15％，对一束光引入一个角色散。

本发明的较佳实施例中，提供的一种色散补偿装置是由第一衍射透镜、第二衍射透镜和开普勒望远系统组成，将第一衍射透镜、第二衍射透镜放入开普勒望远系统中对不同衍射角进行补偿，如图3所示。开普勒望远系统由前透镜组22和后透镜组25组成，前透镜组的后焦平面与后透镜组的前焦平面重合，形成共焦面，第一衍射透镜23位于开普勒望远系统的前透镜组和共焦面之间，第二衍射透镜24位于共焦面和开普勒望远系统的后透镜组之间，第一衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统前透镜组焦距的六分之一到四分之一范围内，第二衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统后透镜组焦距的五分之一到四分之一范围内；第一衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距，第二衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距。第一衍射透镜的第一面27为平面，第二面28为球面，且第一面为二元光学衍射面，第二衍射透镜的第一面29为平面，第二面30为球面，且第一面为二元光学衍射面。首先对其中一个衍射角光束色散补偿分析，由于该色散补偿装置是旋转轴对称的，如图2所示，选取光束中条光线即主光线和两条边缘光线作为代表，θ_a,θ_c,θ_e为经过开普勒望远系统前透镜组后的a、c、e光线与未进入开普勒望远系统的a、c、e光线的夹角，θ’_a,θ’_c,θ’_e为经过第一衍射透镜的a、c、e光线与未进入开普勒望远系统的a、c、e光线的夹角。当光束经过第二衍射透镜2时，a、c、e引入的角色散率分别为4为开普勒望远系统的后透镜组。当光束经过第二衍射透镜3时，a、c、e引入的角色散率分别为第一衍射透镜、第二衍射透镜的二元光学衍射面通过控制相位参数，使角色散满足：

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_a}{\mathrm{\λ}}+\frac{{\mathrm{d\θ}}_a^{,}}{d\mathrm{\λ}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_c}{d\mathrm{\λ}}+\frac{{\mathrm{d\θ}}_c^{,}}{d\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{d\mathrm{\λ}}+\frac{{\mathrm{d\θ}}_e^{,}}{d\mathrm{\λ}}$

以此类推，当一光束进入开普勒望远系统后，光束中的光线经过第一衍射透镜不同位置引入不同的角色散，光束中的光线经过第二衍射透镜不同位置引入不同的角色散，各光线经过第一衍射透镜、第二衍射透镜引入的角色散相加，整个光束中的光线引入了同一个角色散量。一个衍射角光束通过本发明色散补偿装置后，可以引入统一的色散。

不同衍射角的光束，经过开普勒望远系统前透镜组后，入射到第一衍射透镜、第二衍射透镜的位置不同，如图3所示，由式(1)和(2)可知，径向半径不同，色散量不同。通过上述办法可以补偿不同衍射角的不同色散。本发明实施例中，21为光栅或类似光栅的光学元件，23和24分别为第一衍射透镜、第二衍射透镜，27和29为二元光学衍射面，28和30为球面，22和25分别为开普勒望远系统的前透镜组和后透镜组，26为显微镜物镜。第一衍射透镜、第二衍射透镜的光焦度均为折射透镜与二元透镜的光焦度和，第一衍射透镜3、第二衍射透镜4的光焦度远远小于组成开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的光焦度，第一衍射透镜、第二衍射透镜组合的光焦度几乎为零，色散补偿装置中第一衍射透镜、第二衍射透镜组对开普勒望远系统光路的影响可忽略不计。

本发明针对于类似光栅的光学元器件引入的色散进行补偿，可以同时补偿不同衍射角的不同色散。其中，声光偏转器用于扫描时，通过改变光栅常数来改变衍射角，本发明色散补偿装置可以完全补偿声光偏转器的色散。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种色散补偿装置，其特征在于，包括开普勒望远系统和第一衍射透镜、第二衍射透镜，开普勒望远系统由前透镜组和后透镜组组成，前透镜组的后焦平面与后透镜组的前焦平面重合，形成共焦面，第一衍射透镜位于开普勒望远系统的前透镜组和共焦面之间，第二衍射透镜位于共焦面和开普勒望远系统的后透镜组之间，第一衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统前透镜组焦距的六分之一到四分之一范围内，第二衍射透镜距共焦面的距离为开普勒望远系统后透镜组焦距的五分之一到四分之一范围内；第一衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距，第二衍射透镜的焦距远大于开普勒望远系统的前透镜组、后透镜组的焦距。

2.根据权利要求1所述的色散补偿装置，其特征在于，第一衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面，第二衍射透镜的第一面为平面，第二面为球面，且第一面为二元光学衍射面。

3.根据权利要求1或2所述的色散补偿装置，其特征在于，开普勒望远系统的前透镜组和后透镜组均为消色差双胶合透镜组，前透镜组和后透镜组的焦距范围均为180mm～300mm，前透镜组和后透镜组的焦距比由光束直径放大倍率决定，前透镜组和后透镜组之间的距离为前透镜组和后透镜组的焦距之和。

4.根据权利要求1或2所述的色散补偿装置，其特征在于，第一衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ1、第二衍射透镜的二元光学衍射面表达式中的相位参数的系数A_λ2的符号相异，并且它们之间的大小关系为，绝对值大小相差不超过A_λ1的15％。