CN107390361A - 高速光学延时线性扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光学延时线性扫描装置，包括扇叶型反射镜、四分之一波片、偏振分光镜和电机，所述的扇叶型反射镜由多个相同的扇叶反射面和与扇叶反射面中心同轴的基圆组成，所述的扇叶反射面采用基圆渐开线的外曲面，所述的多个扇叶反射面呈等角度分布在基圆的圆周上，所述的柱面镜、四分之一波片和偏振分光镜依次排列，其光轴方向与基圆的切线相重合；S偏振的入射光入射到偏振分光镜后，首先被其折射，然后依次透过四分之一波片和柱面镜，入射到扇叶型反射镜的外表面，然后被其反射后原路返回，再次透过柱面镜、四分之一波片和偏振分光镜，形成P偏振的出射光。

Description

高速光学延时线性扫描装置

技术领域

本发明属于光学探测技术领域，具体涉及一种高速光学延时线性扫描装置。

背景技术

光学延时扫描装置用于实现两束光之间的延时扫描功能，被广泛应用于光学相干层析成像、太赫兹时域光谱等基于超快时间分辨的光学探测系统中。

早期的光学延时装置利用反射镜的往返式直线运动来实现延时扫描，扫描速率仅能达到10 Hz量级。为了提高扫描速率，采用旋转式运动的光学延时扫描机构被大量报道。其中，采用渐开线面型的反射镜作为关键部件的延时扫描技术是近些年的研究热点。

2004年，许景周等人报道了采用圆渐开线型反射镜的内曲面作为反射镜的延时扫描方案（《OPTICS LETTERS》，2004年第29卷17期，第2082-2084页），扫描速率可达100 Hz。但是，其内部光路的光轴方向不在同一平面内，导致光轴方向装调较为复杂。同年，许景周还设计一种利用圆渐开线型反射镜的外曲面作为反射镜的延时扫描方案（《ELECTRONICSLETTERS》，2004年第40卷19期，第1218-1219页），实现了光轴方向位于同一平面内，降低了光机装调的复杂性。但是，由于其设计的圆渐开线型反射镜重心不对称，导致其沿中心轴旋转时的稳定性难以保障。2014年，黄战华等人采用圆渐开线型反射镜的外曲面作为反射镜，并利用旋转的平面反射镜阵列实现光学延时扫描功能（CN104166233B；《光学精密工程》，2015年，第23卷第12期，第3189-3294页；《中国激光》，2017年第54卷，第031202-1/8页），同样能够实现100 Hz的扫描速率。但是，由于平面反射镜阵列的结构外形设计特点，导致其旋转时的风阻系数较大，在保证稳定性的前提下难以进一步提高延时扫描速率。

如何在保障稳定性和线性度的条件下提高光学延时扫描速率是本技术领域的一个关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种高速光学延时线性扫描装置，能够实现更高的扫描速率，且具有良好的稳定性和线性度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高速光学延时线性扫描装置，包括扇叶型反射镜、四分之一波片、偏振分光镜和电机，所述的扇叶型反射镜由多个相同的扇叶反射面和与扇叶反射面中心同轴的基圆组成，所述的扇叶反射面采用基圆渐开线的外曲面，所述的多个扇叶反射面呈等角度分布在基圆的圆周上，所述的柱面镜、四分之一波片和偏振分光镜依次排列，其光轴方向与基圆的切线相重合。

所述的高速光学延时线性扫描装置，其扇叶型反射镜的中心设置有旋转孔，所述的旋转孔连接电机的驱动轴。

所述的高速光学延时线性扫描装置，其扇叶型反射镜和四分之一波片之间还设置有柱面镜。

所述的高速光学延时线性扫描装置，其扇叶型反射镜为金属件或聚合物材料件。

所述的高速光学延时线性扫描装置，其扇叶反射面具有光学抛光的表面。

所述的高速光学延时线性扫描装置，其扇叶反射面表面设置有镀膜。

本发明的有益效果是：

1，本发明所设计的扇叶型反射镜的重心位于几何中心，且外形设计在逆时针旋转时风阻系数小，利用这种扇叶型反射镜的高速旋转实现光学延时扫描，比现有的其他技术方案具有更好的稳定性。

2，本发明所设计的扇叶型反射镜具有多片（≥2片）相同的符合渐开线方程的光学扇叶反射面，这种光学扇叶反射面能够保障光学延时量与扇叶型反射镜的旋转角度呈良好的线性关系。

3，本发明通过增加扇叶型反射镜的片数（N），可实现更高的扫描速率：设驱动电机的转速为s转/秒，则延时扫描速率为N·s赫兹。例如：在现有的机电技术水平下，电机转速可轻松达到125 转/秒，对于具有4片扇叶反射面的扇叶型反射镜，可实现的光学延时扫描速率高达500 Hz。

4，本发明通过增加扇叶型反射镜的扇叶反射面的渐开线基圆半径r和旋转角度范围δ，可灵活实现所需要的光学延时量T=4πrδ/360/c （c表示光速）。例如：当r=20 mm，δ=90°时，光学延时量高达208 ps。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明扇叶型反射镜的结构示意图。

各附图标记为：1—扇叶型反射镜，11—扇叶反射面，12—旋转孔，13—基圆，2—柱面镜，3—四分之一波片，4—偏振分光镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2所示，作为本发明的第一种实施例，公开了一种新的实现高速、稳定、线性、连续的光学延时扫描装置，由扇叶型反射镜1、柱面镜2、四分之一波片3、立方偏振分光镜4和电机等组成，扇叶型反射镜1的中心设置有旋转孔12，用于连接电机的驱动轴，绕中心轴逆时针匀速旋转，所述的扇叶型反射镜1由多个（≥2）相同的扇叶反射面11和与扇叶反射面11中心同轴的基圆13组成，所述的扇叶反射面11符合圆渐开线方程，采用渐开线的外曲面作为光学扇叶反射面，所述的多个扇叶反射面11呈等角度分布在基圆13的圆周上，所述的柱面镜2、四分之一波片3和偏振分光镜4依次排列，其光轴方向与基圆13的切线相重合。为实现延时线性扫描功能，扇叶型反射镜1在电机的驱动下沿中心轴旋转，入射光轴沿上述渐开线的基圆13的切线方向，出射光原路返回，入射光与出射光的光学延时量随旋转角度线性变化。

S偏振的入射光入射到立方偏振分光镜4后，首先被其折射，然后依次透过四分之一波片3和柱面镜2，入射到扇叶型反射镜1的外表面，然后被其反射后原路返回，再次透过柱面镜2、四分之一波片3和立方偏振分光镜4，形成P偏振的出射光。当扇叶型反射镜1在电机驱动下沿中心轴匀速旋转时，出射光和入射光之间的光学延时将形成周期性的线性变化。

作为本发明的又一种具体的实施例，扇叶型反射镜1具有四片相同的扇叶反射面11，制作材料可选择机械稳定性能良好的金属（铝、铜等）和聚合物材料（高密度聚四氟乙烯等）。扇叶反射面11的面型符合圆渐开线方程：

，

式中r是圆渐开线基圆13的半径（附图1中用虚线圆表示），是旋转角度，x和y是直角坐标。

作为一种示例，取r=20 mm，，此时渐开线的光学延时量约为208 ps。

为了保障光学反射率，上述四个扇叶反射面11应当进行光学抛光、镀膜等光学表面处理工艺。

上述装置中的偏振分光镜4和四分之一波片3是为了实现入射光束和出射光束的分离；采用其他方式实现入射光和出射光的分离依然在本专利保护范围内。

上述装置中的柱面镜2用于对该发散光束进行准直优化，入射光被扇叶型反射,1反射后，光束有略微发散；该柱面镜2并非装置工作所必需的元件，缺少该元件装置依然能够工作，仍然属于本专利保护范围。

作为一种实施示例，设工作激光的中心波长为780 nm，上述柱面镜2、四分之一波片3和偏振分光镜4可分别选型Thorlabs公司的LJ1918L2-B、WPQ10M-780和CCM1-PBS25-780。

上述柱面镜2与扇叶型反射镜1中心轴的安装间距影响出射光束的准直特性，最佳间距值应在光学仿真的基础上进行微调；柱面镜2与四分之一波片3、偏振分光镜4之间的安装间距则对出射光束的准直特性无影响，但是，为了保障出射光束的稳定性，应尽可能缩短光学元件之间的安装间距。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.高速光学延时线性扫描装置，其特征在于：包括扇叶型反射镜（1）、四分之一波片（3）、偏振分光镜（4）和电机，所述的扇叶型反射镜（1）由多个相同的扇叶反射面（11）和与扇叶反射面（11）中心同轴的基圆（13）组成，所述的扇叶反射面（11）采用基圆（13）渐开线的外曲面，所述的多个扇叶反射面（11）呈等角度分布在基圆（13）的圆周上，所述的柱面镜（2）、四分之一波片（3）和偏振分光镜（4）依次排列，其光轴方向与基圆（13）的切线相重合。

2.根据权利要求1所述的高速光学延时线性扫描装置，其特征在于，所述的扇叶型反射镜（1）的中心设置有旋转孔（12），所述的旋转孔（12）连接电机的驱动轴。

3.根据权利要求1所述的高速光学延时线性扫描装置，其特征在于，所述的扇叶型反射镜（1）和四分之一波片（3）之间还设置有柱面镜（2）。

4.根据权利要求1或2或3所述的高速光学延时线性扫描装置，其特征在于，所述的扇叶型反射镜（1）为金属件或聚合物材料件。

5.根据权利要求1或2或3所述的高速光学延时线性扫描装置，其特征在于，所述的扇叶反射面（11）具有光学抛光的表面。

6.根据权利要求1或2或3所述的高速光学延时线性扫描装置，其特征在于，所述的扇叶反射面（11）表面设置有镀膜。