CN108398780A - 一种高速光学延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速光学延迟线，包括线性电动位移台、移动直角反射镜组、固定直角反射镜组，其中，移动直角反射镜组固定在线性电动位移台的滑动台面上，固定直角反射镜组固定不动。移动直角反射镜组和固定直角反射镜组中直角反射镜的对数可以相同，也可以不同，具体数目可根据系统光路结构和光学扫描延迟要求设定。该高速光学延迟线，能够在线性电动位移台较低的移动速度和较小的行程下，实现较高的扫描速度和较大的扫描范围。

Description

一种高速光学延迟线

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，涉及光学延迟装置，尤其是一种高速光学延迟线，适用于太赫兹时域光谱系统和电光采样系统的高速光学延迟扫描。

背景技术

在太赫兹时域光谱系统和电光采样系统中，都需要采用可变光学延迟手段来改变两路光之间的相对延迟，实现超短光脉冲对待测脉冲波形的扫描和探测。目前常用的光学延迟手段主要有线性电动位移台、圆渐开线、光纤伸缩器以及异步光学采样等，其中，线性电动位移台由于简单易用，扫描长度不受限制，成本相对较低，是目前最常用的方法。在该方法中，通常将两个直角反射镜固定在位移台上，光束经两次反射发生一次往返，使光程随着位移台的移动发生改变，实现相对时延的改变。为了保证较高的位移精度和平稳性，位移台的速度往往较低，因此，单次扫描时间较长，通常达到数分钟以上。尤其当需要大范围扫描时，所需位移台的尺寸非常大，扫描时间达到几个小时，测量效率非常低，且整套系统的体积将非常庞大。

因此，开发一种高速光学延迟线，在提高速度的同时保证较高的位移精度，并实现装置的小型化，对于太赫兹时域光谱系统和电光采样系统都具有重要价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高速光学延迟线，其扫描速度快、位移精度高、体积小，从而缩短太赫兹时域光谱系统和电光采样系统的扫描时间，提高测量效率。

本发明的技术方案如下：

一种高速光学延迟线，包括线性电动位移台、移动直角反射镜组、固定直角反射镜组，其中，移动直角反射镜组固定在线性电动位移台的滑动台面上，固定直角反射镜组固定不动。移动直角反射镜组和固定直角反射镜组中直角反射镜的对数可以相同，也可以不同，具体数目可根据系统光路结构和光学扫描延迟要求设定。

在该装置中，其中第一种工作方式为：入射光首先入射在其中一组直角反射镜组上，经过N次往返后从另一组直角反射镜组的最后一片直角反射镜出射。设线性电动位移台经过时间t的移动距离为L ₀，则在该时间内光程的改变量为L _b=N·L ₀，从而使延迟线的扫描速度与线性电动位移台移动速度相比提高了N倍。

第二种工作方式为：入射光首先入射在其中一组直角反射镜组上，经过N次往返后从同一组直角反射镜组的最后一片直角反射镜出射。该方式计算方法与第一种方式是完全等效的。

在该光学延迟线装置中，线性电动位移台的作用是驱动移动直角反射镜组按照所需速度和行程移动，使移动直角反射镜组和固定直角反射镜组之间的相对位移逐渐变化，从而改变其上传输光束的光程。

在第一种工作方式中，移动直角反射镜组和固定直角反射镜组分别由2N个直角反射镜组合固定而成；在第二种工作方式中，其中一组直角反射镜组包含2N个直角反射镜，而另一组包含2(N-1)个直角反射镜。每个直角反射镜的斜面镀与所需反射激光波长匹配的高反射率膜，来降低多次反射造成的激光功率损耗。

本发明的效果和益处是：

（1）该高速光学延迟线，能够在线性电动位移台较低的移动速度和较小的行程下，实现较高的扫描速度和较大的扫描范围；

（2）由于线性电动位移台速度较低，因此，可保证较高的位移精度；

（3）通过缩小直角反射镜和线性电动位移台的行程，可在确保较大扫描范围的同时实现装置的小型化。

附图说明

图1 高速光学延迟线原理示意图。

图2典型太赫兹时域光谱系统原理图。

图3 采用本案高速光学延迟线的太赫兹时域光谱系统原理图。

图中：1 线性电动位移台；2 移动直角反射镜组；3 固定直角反射镜组。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如说明书附图1所示，高速光学延迟线包括三部分，分别为线性电动位移台1、移动直角反射镜组2和固定直角反射镜组3，其中，移动直角反射镜组2固定在线性电动位移台1的滑动台面上，固定直角反射镜组3固定位置安装不动。移动直角反射镜组2和固定直角反射镜组3中每一片直角反射镜在竖直平面（坐标系yz平面）内的截面都是等腰直角三角形，且相互之间的几何参数都应保持一致，并按照说明书附图1中的方式进行安装，将其斜面作为激光反射面。安装时，移动直角反射镜组2和固定直角反射镜组3沿y方向的直角边需尽量平行，以确保激光入射在每一个直角反射镜的斜面上时的入射角都是45°，从而可对扫描过程中的光学延迟量进行精确控制。

实施例

高速光学延迟线是太赫兹时域光谱系统的重要组成部分，其作用是通过机械位移或其它方式改变泵浦光和探测光之间的光程差，实现对太赫兹脉冲波形的扫描探测。高速光学延迟线在太赫兹时域光谱系统中的相对安装位置如说明书附图3所示。

典型的太赫兹时域光谱系统原理图如说明书附图2所示，飞秒激光器发出的脉宽为数十fs至100fs量级且偏振态为线偏振的超短脉冲激光被分束镜分为两路，其中一路经过声光调制器调制为特定频率的信号，经过一系列反射镜M和透镜会聚后入射在光电导天线的电光开关上，激发出脉宽为ps量级的太赫兹脉冲，经过离轴抛物面镜进行准直，再经过离轴抛物面镜会聚在ZnTe晶体上。同时，分束镜分出的另一路激光脉冲经过反射镜M反射后进入光学延迟线，普通光学延迟线的结构通常是在精密线性电动位移台上面按照特定角度固定两个直角反射镜，使光束入射在上面后经过两次反射沿原方向返回，通过控制软件对电动位移台进行精密控制，可使该路激光束的传输光程发生改变，经过一系列反射镜M反射并经透镜会聚后，与前述的太赫兹波一起入射在ZnTe晶体上。由于ZnTe晶体是一种电光晶体，在太赫兹波电场的调制下其折射率发生改变，即产生双折射效应，经过λ/4波片后变成两偏振分量强度不同的椭圆偏振光，再经过Wollaston棱镜可将椭圆偏振光中的两正交偏振分量分开，在由平衡探测器对该两正交偏振分量的光强差进行检测。由于线性电光效应，该光强差与太赫兹波电场的强度成正比，从而可以实现对太赫兹脉冲时域波形的检测。由于平衡探测器接收到的信号信噪比很差，因此，需要通过锁相放大器对信号进行滤波和放大处理，最后通过数据采集与分析系统对接收到的太赫兹时域信号进行傅立叶变换等处理，得到待测光谱信息。其中，信号发生器的作用是为声光调制器和锁相放大器提供参考频率。该光路系统中的光学延迟线使光束在其中发生了两次反射并沿原方向返回。若位移台的行程为L，忽略直角反射镜的尺寸，则其对探测光产生的时间延迟量为Δt=2L/c，其中，c为光速。

采用本案高速光学延迟线的太赫兹时域光谱系统，如说明书附图3所示，除高速光学延迟线外，其他各部分的原理和功能与说明书附图2中的典型太赫兹时域光谱系统相同。若线性电动位移台1的行程同样为L，线性电动位移台上的移动直角反射镜数量为8个，则其对探测光产生的时间延迟量为：Δt′=8L/c。是普通光学延迟线延迟量的4倍。通过增加直角反射镜的数量，可使其延迟量进一步提高。因此，在线性电动位移台1行程不变的情况下，本发明中提出的高速光学延迟线可使延迟量大大增加，缩短扫描时间，从而使测量效率大大提高。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种高速光学延迟线，包括线性电动位移台（1）、移动直角反射镜组（2）、固定直角反射镜组（3），其特征在于，所述移动直角反射镜组（2）固定在线性电动位移台（1）的滑动台面上，所述固定直角反射镜组（3）固定位置安装不动；所述移动直角反射镜组（2）和固定直角反射镜组（3）中直角反射镜的对数可以相同，也可以不同，具体数目可根据系统光路结构和光学扫描延迟要求设定。

2.根据权利要求1所述的一种高速光学延迟线，其特征在于：具有两种工作方式，第一种工作方式，两组直角反射镜组分别由2N个直角反射镜组合固定而成，入射光入射在其中一组直角反射镜组上，经过N次往返后从另一组直角反射镜组的最后一片直角反射镜出射，该方式中两组直角反射镜组的直角反射镜数目相同；第二种工作方式，一组直角反射镜组包含2N个直角反射镜，而另一组包含2(N-1)个直角反射镜，入射光首先入射在其中一组直角反射镜组上，经过N次往返后从同一组直角反射镜组的最后一片直角反射镜出射，该方式中两组直角反射镜组的直角反射镜数目相差一对。

3.根据权利要求1所述的一种高速光学延迟线，其特征在于：所述移动直角反射镜组（2）和固定直角反射镜组（3）中每一片直角反射镜在竖直平面内的截面都是等腰直角三角形，且相互之间的几何参数都保持一致，并将其斜面作为激光反射面。

4.根据权利要求3所述的一种高速光学延迟线，其特征在于：所述斜面镀与所需反射激光波长匹配的高反射率膜。

5.根据权利要求1或3所述的一种高速光学延迟线，其特征在于：所述移动直角反射镜组（2）和固定直角反射镜组（3）安装时，沿水平方向的直角边需平行。