CN105891958A - 一种大行程高扫描频率光纤延迟线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大行程高扫描频率光纤延迟线，包括：相互对立设置的移动反射模块和固定反射模块，所述移动反射模块通过连接件与驱动电机连接，所述驱动电机通过驱动器连接到计算机，由上位机软件进行运动控制；所述移动反射模块和固定反射模块均包括若干个均匀排布的中空铝制角锥反射镜，所述固定反射模块上的中空铝制角锥反射镜的数量比移动反射模块上多一个；本发明利用角锥反射镜的逆向反射特性，可使反射光和入射光严格平行，从而减小扫描过程抖动对光纤耦合的影响，降低系统插入损耗，利用N块角锥反射镜和N‑1块角锥反射镜相对放置，在两个反射模块中形成多次反射来实现光程延迟，相比单角锥反射镜情况，可在电机行程不变的情况下将延迟范围提高N倍。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及一种大行程高扫描频率光纤延迟线。本发明适用于绝大部分全光纤太赫兹时域光谱系统中时域波形快速采集的场合。
背景技术
太赫兹时域光谱（即THz-TDS）技术能够同时探测THz脉冲的振幅和相位信息，在生物学、材料科学、医学诊断、安全检查、无损检测、军事以及物理和化学等许多领域展现出巨大的应用潜力，已迅速发展成为一个令人关注的新兴研究方向。在THz-TDS技术中，时域THz脉冲波形是通过飞秒探针光对多个THz脉冲的不同延迟部位的扫描探测来实现的，最后得到的THz脉冲波形实际上是由多个不同的THz脉冲的不同部位“拼凑”而成。为实现扫描探测，需要不断改变飞秒探针光和THz脉冲的相对时延，而光学延迟线正是实现这一功能的核心。
由于THz时域扫描长度与光谱检测分辨率成反比，为实现小光谱分辨率的快速THz时域光谱检测，要求光学延迟线具有大的延迟范围和高的扫描频率。目前可实现快速光学延迟的技术主要包括振荡光学延迟、旋转光学延迟和光纤拉伸延迟等几种。传统的振荡光学延迟线难以同时实现大延迟范围和高扫描频率（≤150 ps@20 Hz）；旋转光学延迟线可实现较大延迟范围和较高扫描频率（≥1 ns@≥100 Hz），但延迟范围不可调，且与光纤耦合较为困难；光纤拉伸延迟线可实现很高扫描频率但延迟范围很小（≤20 ps@≥1 kHz）。
从以上分析可知，现有技术均难以同时满足大延迟范围和高扫描频率光纤延迟（≥200 ps@≥40 Hz）的需要，开展相关器件的研制工作对于全光纤THz时域光谱系统向现场检测和实时检测方向发展具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的为提供一种用于全光纤THz-TDS系统中时域波形快速采集的大行程、高扫描频率光纤延迟线，可以≥40 Hz的频率实现≥20≥0 ps延迟范围的重复扫描。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大行程高扫描频率光纤延迟线，包括：相互对立设置的移动反射模块和固定反射模块，所述移动反射模块通过连接件与驱动电机连接，所述驱动电机通过驱动器连接到计算机，由上位机进行运动控制；
所述移动反射模块和固定反射模块均包括若干个均匀排布的中空铝制角锥反射镜，所述固定反射模块上的中空铝制角锥反射镜的数量比移动反射模块上多一个；
所述固定反射模块的一侧设置有发射光纤准直器和接收光纤准直器，所述发射光纤准直器发射的光依次在移动反射模块上的中空铝制角锥反射镜、固定反射模块上的中空铝制角锥反射镜多次反射后，从移动反射模块上的中空铝制角锥反射镜上反射到接收光纤准直器。
在上述技术方案中，所述中空铝制角锥反射镜包括铝制基层和设置在基层上的玻璃层。
在上述技术方案中，所述铝制基层的表面光洁度不大于1.6 微米。
在上述技术方案中，所述玻璃层的外表面上设置一层高反射金属膜。
在上述技术方案中，所述高反射金属膜为金膜或银膜。
在上述技术方案中，所述移动反射模块上的中空铝制反射镜和固定反射模块上的中空铝制反射镜依次交叉对立设置。
在上述技术方案中，所述移动反射模块上的中空铝制反射镜和固定反射模块上的中空铝制反射镜之间所有的入射光和反射光平行。
在上述技术方案中，所述驱动电机为具有直接驱动、高加速度和无滞后响应特性的音圈电机。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明利用角锥反射镜实现激光束的反射，其优点在于利用角锥反射镜的逆向反射特性，可使反射光和入射光严格平行，从而减小扫描过程抖动对光纤耦合的影响，降低系统插入损耗；
利用硬铝材料制作中空角锥反射镜，在铝表面采用精机械加工达到≤1.6 微米的表面光洁度，再在其上粘贴镀高反射金属膜（金膜或银膜）的薄玻璃片作为反射面，其优点在于利用铝制角锥反射镜的中空特性，相比传统基于玻璃制作的实心角锥反射棱镜，消除了对飞秒激光的色散展宽、减少了面型加工误差带来的偏角误差、减少了玻璃表面反射损耗和内部吸收，并减少了反射模块质量，降低了电机负载；
利用一个包含N块角锥反射镜的移动反射模块和一个包含N-1块角锥反射镜的固定反射模块相对放置，在两个反射模块中形成多次反射来实现光程延迟，其优点在于利用光束的多次反射，相比单角锥反射镜情况，可在电机行程不变的情况下将延迟范围提高N倍；
利用音圈电机驱动移动反射模块做直线往复移动，以此实现光程延迟的重复扫描，其优点在于利用音圈电机的直接驱动、高加速度和无滞后响应特性，可实现高频率延迟扫描。
利用聚焦型大口径光纤准直器实现飞秒激光束的准直和耦合，其优点在于可获得大光束准直距离，增加光纤耦合度、减小插入损耗。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是包含3个铝制中空角锥反射镜的反射模块结构示意图；
其中：1是计算机; 2是数据采集卡；3是驱动器;4是音圈电机；5为连接器；6是移动反射模块；7是固定反射模块; 8是接收光纤准直器; 11是发射光线准直器; 9、12为光纤尾纤; 10、13为光纤连接器；14为系统外壳,；15是反射模块基底，16是中空角锥反射镜。
具体实施方式
如图1 所示，本发明中的：
音圈电机，是一个工作在直线往复运动方式下的圆柱音圈电机，它的最大行程超过10 mm，峰值加速度大于316 m/s2，电机中内置高精度光栅位置编码器，可实现精度小于等于0.15 微米的位置信息读取。
连接器是一个机械连接元件，用以实现音圈电机和移动反射模块的定位和连接。
本发明中的音圈电机通过驱动器和计算机相连，并通过计算机中的上位机软件实现电机运动的伺服控制。音圈电机与驱动器之间通过屏蔽电缆连接，实现电机供电和数据交互。驱动器与计算机之间通过屏蔽电缆连接，实现数据交互。
在音圈电机的高速运动过程中，其实时运动位置由内置直线光栅编码器进行采集，编码器输出信号通过驱动器由高速DAQ数据采集卡进行采样，并输入计算机中的上位机软件进行处理，以实现电机运行的位置-时间曲线的实时精确描绘。
所说的移动反射模块和固定反射模块是两个分别包含N个中空铝制角锥反射镜和N-1个中空铝制角锥反射镜的光学元件，用以控制光纤准直器出射光束的传输方向，实现多次反射并利用角锥反射镜的逆向反射特性保证反射光束准确耦合进接收光纤准直器中，所说的光纤准直器利用组合透镜实现与光纤尾纤的耦合和连接。
光纤尾纤是两根工作在1550
nm波长的单模光纤或保偏光纤，长度小于等于0.5 m，用以通过光纤连接器实现和外部光纤的连接，所说的光纤连接器是两个活动光纤连接器，它们的一端与光纤尾纤采用熔融方式进行连接。
系统工作方式如下：
如图1所示，外部输入的1550
nm波长飞秒激光信号通过光纤连接器10、光纤尾纤9以及光纤准直器8耦合入系统，并发射到自由空间中形成一个汇聚光束，汇聚光斑最小位置到发射光纤准直器距离为L0+N×△Lmax（其中L0为沿光束方向从发射光纤准直器到接收光纤准直器端面的最小距离，△Lmax为移动反射模块最大距离改变量，N为移动反射模块包含的角锥反射镜个数），该光束首先入射到移动反射模块的第一块角锥反射镜上，再反射到固定反射模块第一块角锥反射镜上，然后反射光束再入射到移动反射模块的第二块角锥反射镜上，反射光束再入射到固定反射模块第二块角锥反射镜上，以此类推，最后激光束通过移动反射模块的第N块角锥反射镜反射，并通过接收光纤准直器11、光纤尾纤12和光纤连接器13耦合入外部光路中。当入射激光束在两个反射模块之间反射时，音圈电机通过连接器驱动移动反射模块做直线往复移动，导致光程快速周期性改变，由于激光束多次反射，因此当移动反射模块改变距离△L时，整个光程改变量为N×2△L，以此实现大延迟范围、高扫描频率的光程延迟。
如图2所示，为本发明的包含3个铝制中空角锥反射镜的反射模块结构示意图。
所说的反射模块基底为铝制机械件，作用有两个，一是为角锥反射镜反射面提供基底，二是通过图1中连接器实现和图1中音圈电机的连接。
所说的中空角锥反射镜为在打磨光滑的铝制基底（≤1.6微米的表面光洁度）上粘贴镀高反射金属膜（金膜或银膜）的薄玻璃片形成的角锥反射镜，每个角锥反射镜包含3个正交的反射面，入射光依次经这3个表面反射后出射，形成与入射光严格平行的反射光。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于包括：相互对立设置的移动反射模块和固定反射模块，所述移动反射模块通过连接件与驱动电机连接，所述驱动电机通过驱动器连接到计算机，由上位机进行运动控制；
所述移动反射模块和固定反射模块均包括若干个均匀排布的中空铝制角锥反射镜，所述固定反射模块上的中空铝制角锥反射镜的数量比移动反射模块上多一个；
所述固定反射模块的一侧设置有发射光纤准直器和接收光纤准直器，所述发射光纤准直器发射的光依次在移动反射模块上的中空铝制角锥反射镜、固定反射模块上的中空铝制角锥反射镜多次反射后，从移动反射模块上的中空铝制角锥反射镜上反射到接收光纤准直器。
2.根据权利要求1所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述中空铝制角锥反射镜包括铝制基层和设置在基层上的玻璃层。
3.根据权利要求2所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述铝制基层的表面光洁度不大于1.6 微米。
4.根据权利要求2所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述玻璃层的外表面上设置一层高反射金属膜。
5.根据权利要求4所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述高反射金属膜为金膜或银膜。
6.根据权利要求1所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述移动反射模块上的中空铝制反射镜和固定反射模块上的中空铝制反射镜依次交叉对立设置。
7.根据权利要求6所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述移动反射模块上的中空铝制反射镜和固定反射模块上的中空铝制反射镜之间所有的入射光和反射光平行。
8.根据权利要求1所述的一种大行程高扫描频率光纤延迟线，其特征在于所述驱动电机为具有直接驱动、高加速度和无滞后响应特性的音圈电机。
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