CN109477953B - 一种高效光程折叠器件 - Google Patents

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Abstract

本方案提供的高效光程折叠器件，通过在光学反射腔焦平面上引入一个倾斜子反射镜，破坏反射光线的循环条件，使得光线在反射腔内多次反射，实现长光程；进一步，通过引入第二倾斜子反射镜和条反射镜，实现反射光斑的二维排布，达到更多的反射次数和更长的光程；光线在输出时保持了输入时的光斑大小和发散特性，适合相干光和非相干光的输入条件；进一步，通过引入一个控制器，驱动倾斜子反射镜旋转，改变倾斜子反射镜的角度，进而改变光线在反射腔内的反射次数，实现光程的可变特性。本方案还允许阵列的光束输入和输出，以到达同时探测多种气体的目的，或实现串联，以达到更长的光程。

Description

一种高效光程折叠器件
技术领域
本方案涉及光学传感领域的光程折叠器件，尤其涉及用于气体光学传感以及可变光程的高效光程折叠器件。
背景技术
在有限体积内，实现光束的多次反射，使光束走过相对较长的光程，这样的光学器件在光学传感领域，特别是针对特种气体的传感和分析领域有重要的应用。
目前半导体可调激光吸收光谱分析(以下简称TDLAS)和傅里叶变换红外光谱分析(以下简称FTIR)是两个主流的技术路线，前者主要基于可调激光在近红外波段进行光谱分析，后者采用宽谱光源通过傅里叶变换在中远红外进行光谱分析。
为了达到足够的探测精度，无论TDLAS还是FTIR都需要一个长光程气室，以使光束在所需分析气体内传输足够的光程以增强吸收谱线，为了使探测仪器仪表的体积在可接受范围内，长光程气室需采用光程折叠器件的形式，以在有限体积内尽可能多次反射光束，以达到足够的光程。
针对TDLAS应用，由于激光束的发散角小，工业界普遍采用赫里奥特室结构(APPLIED OPTICS/Vol.3,No.4/April 1964)，如图1所示，赫里奥特室(100)采用两个具有相同焦距f的凹面反射镜(103、104)形成反射腔，当输入端(101)输入光束的入射方向和位置、两个凹面反射镜沿z方向的距离d满足一定条件时(一般取0<d<2f或2f<d<4f的离焦配置)，光束将在两个凹面反射镜来回多次反射，最后从输出端(102)输出。图2表所示两个凹面反射镜(203、204)上，反射点在x-y平面上形成圆形的光斑轨迹(201)。
针对FTIR应用，由于光源需要非相干的宽谱热光源，光束发散角大，赫里奥特室的性能不能满足要求，这是由于赫里奥特室必需的离焦配置特性导致，离焦系统多次反射后非相干光束发散角无法收敛，工业界则普遍采用传统的怀特室结构(White，J.U.“LongOptical Paths of Large Aperture”J.Opt.Soc.Am.,Vol.32,pp285-288,May 1942)，如图3所示，怀特室(300)由三个具有相同曲率半径和焦距f的凹面反射镜组成，主反射镜(301)位于一侧，两个次反射镜(302、303)位于主反射镜相对一侧，输入光束(304)和输出光束(305)位于主反射镜两侧。两个次反射镜带有一定倾角，主反射镜与两个次反射镜的距离设置为2f，使光束在主反射镜和两个次反射镜来回多次反射成像，最后从主反射镜一侧输出。光斑在主反射镜上的轨迹如图4所示，通常输入光束位置(404)偏离主反射镜(401)轴心线(402)，使得光斑分布在两排轨迹(403、406)上，以获得最大的反射次数。输出光束位置(405)通常在与输入光束同排轨迹(406)的另一侧。
随着业界对气体探测精度要求的提升，对光程气室的要求也进一步提高，需要在有限的体积内实现更长的光程(20米以上，乃至100米以上)，赫里奥特室和怀特室很难在一定体积内实现更多次的反射。基于赫里奥特室和怀特室有很多改进的设计，如赫里奥特本人提出的用像散透镜实现更多的反射次数(“Folded Optical Delay Lines”，Appl.Opt.,Vol.4,No.8,pp883-889,1965)，但存在像散透镜很难加工的问题，虽然后续有通过旋转一个像散透镜以降低加工精度要求(美国专利5291365，1994)，仍旧没有解决像散透镜高昂的加工成本问题；Joel.A.Silver等人提出用双柱面镜实现密集的光斑分布即更多的反射次数(美国专利7477377，2009)，但由于双柱面的非旋转对称性质，光束在多次反射后不再具有与输入光束相同的光束特性，在需要光束特性(光束半径、发散半角等)保持的应用场景中无法应用。虽然也有一些基于怀特室的改进方案，如中国专利“折叠式倍光程多通气体池”(CN102053063B)在怀特室输出端采用一个角反射镜，反射输出光束使之沿原路返回(偏离一个小角度)，光程得到加倍，但输入输出端过于靠近，需要更多的空间分离输入和输出光束；同时，怀特室使用了带角度的次反射镜，光束多次反射后，像差对输出光束特性的影响较大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种高效光程折叠器件，以解决现有的长光程气室存在体积大、光程体积比不高、光程难以进一步拓展、光程不易改变，以及像散透镜加工困难成本高昂、在需要光束特性(光束半径、发散半角等)保持的应用场景中无法应用等诸多问题。
本方案实施例第一方面提供一种高效光程折叠器件，其包括：
一个输入端，用于输入光束；
一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；
一个主平面反射镜；
一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f；所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在所述焦平面上的交点；
一个第一倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1；所述倾斜角θ1不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜和所述第一倾斜子反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜和所述第一倾斜子反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个第二倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；所述倾斜角θ2和所述倾斜角θ1在所述焦平面上的投影不平行；
一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜和所述第一条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端，所述第一条反射镜相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2；所述倾斜角γ2不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端、所述输出端和所述第二条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端，或者，所述第一条反射镜和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
在一个实施例中，所述输入光束的半径为A0，发散半角为β0；
所述第一倾斜子反射镜偏离所述焦平面的原点的距离大于所述输入光束的发散半角与所述凹面反射镜的焦距之积β0·f。
在一个实施例中，所述第一倾斜子反射镜位于所述输入光束经所述凹面反射镜第一次或第三次反射后到达所述焦平面的位置，所述第一倾斜子反射镜的通光直径大于2β0·f。
在一个实施例中，所述第一倾斜子反射镜的倾斜角方向的选取使得所述输入光束经过所述凹面反射镜的偶数次反射后到达所述焦平面时，所述输入光束的中心到所述第一倾斜子反射镜边界的距离大于所述输入光束的半径A0。
在一个实施例中，所述输入端是带有第一尾纤的第一光纤准直器，光束通过所述第一光纤准直器输入；
或者，所述输入端是带有第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列，光束通过所述第一光纤准直器阵列输入；
或者，所述输入端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入端；
或者，所述输入端通过光纤连接发光器件，所述输入端输入所述发光器件发出的光束；
所述输出端是带有第二尾纤的第二光纤准直器，所述输出光束通过所述第二光纤准直器输出；
或者，所述输出端是带有第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列，所述输出光束通过所述第二光纤准直器阵列输出；
或者，所述输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，所述输出光束从所述输出端输出至自由空间；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜和所述第二倾斜子反射镜沿各自的倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
在一个实施例中，所述输出端位于所述输入光束被所述凹面反射镜反射4的正整数倍次数之后达到所述焦平面的位置。
本方案实施例第二方面提供一种高效光程折叠器件，其包括：
一个输入输出端，用于输入光束和输出光束；
一个主平面反射镜；
一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f；所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在所述焦平面上的交点；
一个第一倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1；所述倾斜角θ1不为零；
一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束平行或所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零；
所述输入输出端的入射出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜和所述第一条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述第一条反射镜相对所述输入输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；
光束从所述输入输出端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输入输出端输出，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为2γ1。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个第二倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；所述倾斜角θ2和θ1在所述焦平面上的投影不平行；
一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2；所述倾斜角γ2不为零；
一个第三条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束平行或所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3；所述倾斜角γ3不为零；
所述输入输出端的入射出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入输出端、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端；
光束从所述输入输出端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜之间的多次反射后，从所述输入输出端输出，所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为2γ3。
在一个实施例中，所述输入光束的半径为A0，发散半角为β0；
所述第一倾斜子反射镜偏离所述焦平面的原点的距离大于所述输入光束的发散半角与所述凹面反射镜的焦距之积β0·f。
在一个实施例中，所述第一倾斜子反射镜位于所述输入光束经所述凹面反射镜第一次或第三次反射后到达所述焦平面的位置，所述第一倾斜子反射镜的通光直径大于2β0·f。
在一个实施例中，所述第一倾斜子反射镜的倾斜角方向的选取使得所述输入光束经过所述凹面反射镜的偶数次反射后到达所述焦平面时，所述输入光束的中心到所述第一倾斜子反射镜边界的距离大于所述输入光束的半径A0。
在一个实施例中，所述输入输出端是带有尾纤的光纤准直器，光束通过所述光纤准直器输入和输出；
或者，所述输入输出端是带有尾纤阵列的光纤准直器阵列，光束通过所述光纤准直器阵列输入和输出；
或者，所述输入输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入输出端；
或者，所述输入输出端通过光纤连接发光器件和光探测器，所述输入输出端输入所述发光器件发出的光束，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输入输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜和所述第二倾斜子反射镜沿各自的倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
本方案实施例提供的高效光程折叠器件，引入第一倾斜镜后，相比于赫里奥特室和怀特室，可以达到更多的反射次数即更长的光程，以及更高的光程体积比；通过第二倾斜镜以及条镜的引入，反射光斑实现了二维排布，进一步增加了光程和光程体积比；输出光束保持与输入光束相同的光束特性(光束半径和发散半角等)，它既可用于光束发散角小的场景，也可用于光束发散角大的场景；通过驱动器对第一或者第二倾斜镜角度的调整，进一步实现了光程可变功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为了更清楚地说明本方案实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中赫里奥特室的原理图；
图2是现有技术中赫里奥特室的反射点光斑轨迹图；
图3是现有技术中怀特室的原理图；
图4是现有技术中怀特室的光束反射点光斑轨迹图；
图5是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件的原理图；
图6a是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件光束位置在焦平面上的分布及倾斜子反射镜的位置；
图6b是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件中倾斜子反射镜倾斜方向说明；
图7是本方案实施例一提供的可变光程的高效光程折叠器件的原理图；
图8是本方案实施例一提供的输入端为光纤准直器阵列的高效光程折叠器件的原理图；
图9是本方案实施例一提供的输入和输出端为光纤准直器阵列并实现光程串联的高效光程折叠器件的原理图；
图10是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件的原理图；
图11是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件的原理图；
图12是本方案实施例一提供的高效光程折叠器件的原理图；
图13a和13b是本方案实施例二提供的高效光程折叠器件的原理图；
图14a和14b是本方案实施例三提供的高效光程折叠器件的原理图；
图15a和15b是本方案实施例四提供的高效光程折叠器件的原理图；
图16a和16b是本方案实施例五提供的高效光程折叠器件的原理图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
实施例一
如图5所示，本方案提供一种高效光程折叠器件500，包括：
一个输入端501，用于输入光束；
一个输出端502，用于输出光束，所述输入端501与所述输出端502分离设置；
一个主平面反射镜504；
一个凹面反射镜503，具有一个焦平面506，所述焦平面506到所述凹面反射镜503的距离507为所述凹面反射镜503的焦距f；所述焦平面506具有一个原点509，是所述主平面反射镜504与所述凹面反射镜503组成的光学系统光轴508在所述焦平面506上的交点。
一个第一倾斜子反射镜505，为面积小于所述主平面反射镜504的平面反射镜，所述第一倾斜子反射镜505的法线与所述主平面反射镜504的法线之间的倾斜角为θ1；所述倾斜角θ1不为零；
所述输入端501的入射面、所述输出端502的出射面、所述主平面反射镜504和所述第一倾斜子反射镜505共面且位于所述凹面反射镜503的焦平面506；
光束从所述输入端501输入，通过所述凹面反射镜503、所述主平面反射镜504和所述第一倾斜子反射镜505之间的多次反射后，从所述输出端502输出。
从光学特性来看，由于采用了共焦系统，在焦平面506上，光束的半径和发散半角将在两组取值间变换，与凹面反射镜503的反射次数无关，只与凹面反射镜503的反射次数的奇偶性有关。设输入端501输入光束的半径为A0，发散半角为β0，经过一次凹面反射镜503的反射到达焦平面506后光束的半径为A1，发散角半为β1，则有如下关系：
A1＝β0·f (1)
β1＝A0/f (2)
经过两次凹面反射镜503的反射到达焦平面506后光束的半径为A2，发散半角为β2，可以通过应用(1)和(2)式两次得到：
A2＝β1·f＝(A0/f)·f＝A0 (3)
β2＝A1/f＝(β0·f)/f＝β0 (4)
从(3)和(4)式可以看到，输入光束经两次凹面反射镜503反射后到达焦平面506后恢复了输入光束的特性(A0，β0)，容易看到经过偶数次凹面反射镜503的反射后，光束的特性将与输入光束相同；对奇数次凹面反射镜503的反射，光束的特性将取(1)和(2)所得到的半径和发散半角(A1，β1)。
对于输入光束的主光束位置和角度(相对主平面反射镜504与凹面反射镜503组成的光轴)的变换，在没有引入第一倾斜子反射镜505的情况下，可以证明在经过四次凹面反射镜503的反射到达焦平面后，光束的主光束位置与输入光束的主光束位置重合，角度与输入光束的主光束角度关于光轴成镜像对称；由于光束的主光束位置与输入光束的主光束位置重合，光束不再被主平面反射镜504反射，而通过输入端502输出，因此在没有引入第一倾斜子反射镜505的情况下，光束最多被凹面反射镜503反射四次，总光程受到很大限制。
本方案在凹面反射镜503和主平面反射镜504组成的共焦光学系统上，引入一个第一倾斜子反射镜505，其位置偏离原点509一定距离，并位于输入光束经凹面反射镜503第一次反射或第三次反射到达焦平面506的位置，第一倾斜子反射镜505改变了光束的反射角度，使光束经凹面反射镜503反射后，改变了随后偶数次反射光束在焦平面506上的位置，而奇数次反射光束在焦平面506上的位置不变，使得所有光束的位置不再与输入端501冲突，实现光束的多次反射。
可以证明，如图6a所示，引入第一倾斜子反射镜505后，在主平面反射镜504所处的焦平面506上，经凹面反射镜1+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置在同一个位置，记为P1(即601)；经凹面反射镜3+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置在同一个位置，记为P3(即602)；经凹面反射镜4+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置为P4、P8、P12······，它们与输入光束的位置P0在一条直线上，记为L4(即603)；经凹面反射镜2+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置为P2、P6、P10······，它们在一条直线上，记为L2(即604)。
为了说明方便，图6a和图6b中，第一倾斜子反射镜505选在了经凹面反射镜503第三次反射后光束在焦平面的位置P3(即602)，它的法线605与主平面反射镜504的法线606形成一个倾斜角θ1，沿两个法线形成的平面与焦平面506相交形成的棱线方向作一矢量，称作移位矢量ΔP(即607)，其长度由下式定义：
ΔP＝tan(2θ1)·f (5)
容易证明对分布在L2上光束位置P2、P6、P10······，和分布在L4的光束位置P0、P4、P8、P12······，相邻光束位置间隔即为由(5)式给出的ΔP，并且L2和L4平行于ΔP。可以看到ΔP包含了倾斜子反射镜的倾斜角θ1大小和方向。
由共焦光学系统的性质可知P1(601)与P3(602)关于焦平面的原点509是对称的，为使第一倾斜子反射镜505不对P1上的光束干扰，第一倾斜子反射镜505偏离焦平面原点509的距离大于P1或P3上的光束半径A1，由前述(1)式可知A1＝β0·f；同时为保证第一倾斜子反射镜505能反射到达其上的所有光束能量，其通光直径大于P1或P3上的光束直径2·A1，即2β0·f。
为避免第一倾斜子反射镜505对L2或L4上光束的干扰，倾斜角θ1方向的选取使得移位矢量ΔP的方向不在输入端501和P3(602)的连线方向上，与之形成一定夹角，经过偶数次凹面反射镜503的反射后，光束到达焦平面506时输入光束的中心到所述第一倾斜子反射镜505的边界的距离大于输入光束的半径A0，从而使以L2或L4上以光束直径为宽度的通光带不与第一倾斜子反射镜505重叠。
输出端502可以取在L2或L4上，优选取在与输入端共线的L4上，即所述输出端502位于所述输入光束被所述凹面反射镜503反射4的正整数倍次数之后达到所述焦平面506的位置，因此输入端501和输出端502在L4(603)的两侧；输出端502的这种配置方式使得输出光束的位置和角度对凹面反射镜503相对主平面反射镜504的角度为位置偏差不敏感，光学系统具有很高的稳定性。
在一个实施例中，所述输入端是带有第一尾纤的第一光纤准直器，光束通过所述第一光纤准直器输入；
或者，所述输入端是带有第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列，光束通过所述第一光纤准直器阵列输入；
或者，所述输入端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入端；
或者，所述输入端通过光纤连接发光器件，所述输入端输入所述发光器件发出的光束；
所述输出端是带有第二尾纤的第二光纤准直器，所述输出光束通过所述第二光纤准直器输出；
或者，所述输出端是带有第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列，所述输出光束通过所述第二光纤准直器阵列输出；
或者，所述输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，所述输出光束从所述输出端输出至自由空间；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
在具体应用中，通光孔和开角的形式适合发散角较大的非相干输入光束情况，光束通过自由空间传播方式输入；对于输入光束为发散角较小的相干光束，如激光，选择带有尾纤的光纤准直器作为光束输入端，输出端相应地选择带有尾纤的光纤准直器输出光束，也可选择光探测器直接接收光束。
在一个实施例中，所述的高效光程折叠器件，还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
在很多应用场合，需要器件光程是可变的，为此，本方案还提供了一种可变光程的高效光程折叠器件，如图7所示，在前述凹面反射镜503、主平面反射镜504和第一倾斜子反射镜505及输入端501和输出端502组成的共焦光学系统基础上，使第一倾斜子反射镜505可沿倾斜方向旋转，即可改变其法线605与主平面反射镜504的法线606形成的倾斜角θ1的大小，其转轴701在主平面反射镜504所在的焦平面506内，并由一个驱动器702驱动其转动，倾斜角θ1由一个角度测量装置703测量。
倾斜角θ1可变导致移位矢量ΔP(607)可变，只要倾斜角θ1的选取使输入端501和输出端502的距离为ΔP的整数倍，就可使光束通过多次反射到达输出端502，从而达到改变总光程的目的。
驱动器702可以是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种。角度测量装置703可以是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置，激光在经第一倾斜子反射镜反射后到达四象限探测器，通过四象限探测器光强数据对比计算后得到倾斜角θ1的大小和方向。
在实际应用中，有时需要多个谱段的激光同时输入到高效光程折叠器件以探测不同的气体组分，先前技术中采用波长耦合器将多个波长的激光耦合到一根尾纤中，再通过光纤准直器输入；针对此种可能需要多个谱段的激光同时输入的需求，本方案还提供了一种阵列输入和输出的高效光程折叠器件，如图8所示，阵列激光束通过带有第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列801并行输入，通过带有第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列802并行输出，或者采用光探测器阵列802并行接收。第一光纤准直器阵列801并行输入的多个光束相对于光轴具有相同的角度，因此经凹面反射镜1+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置同在P1；经凹面反射镜3+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置同在P3；经凹面反射镜4+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置分布在ΔP(607)方向上与单个输入情况一致，但在第一光纤准直器阵列排列方向(803)上展开；经凹面反射镜2+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置与4+4n(n＝0，1，2，3······)次反射形成的光束位置分布类似，在ΔP方向和第一光纤准直器阵列排列方向上展开，两组光束位置关于焦平面506上的原点509对称分布。
为了达到更长的光程，本方案还提供了一种光程串联的器件，在图8所示的输入端为带第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列、输出端为带第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列基础上，如图9所示，将第一尾纤阵列901和第二尾纤阵列902中的部分尾纤通过光纤连接，串联成只有一个输入尾纤903的输入端和只有一个输出尾纤904的输出端，通过这种方式，光束从输入尾纤903输入，经过高效光程折叠器件多次反射和串联的尾纤后，重复输入到高效光程折叠器件中，直到从输出尾纤904输出。若第一尾纤阵列有M个尾纤，则总光程为单个器件光程的M倍。
由于反射共焦系统优良的光学特性，在光束发散角不大(如相干光)的情况下，所述凹面反射镜可采用便宜和成熟的球面反射镜；对于光束发散角比较大(如非相干光)的情况下，可采用非球面反射镜作为凹面反射镜。
由前面的分析可以看到，本方案提供的高效光程折叠器件，输出光束保持与输入光束相同的光束特性(光束半径和发散半角等)，它既可用于光束发散角小的场景，也可用于光束发散角大的场景；相比于赫里奥特室和怀特室，由于对P1和P3的重复利用，同样的体积下，本方案提供的高效光程折叠器件可以达到更多的反射次数即更长的光程，以及更高的光程体积比；由于光束特性在凹面镜偶数次反射后的保持，更容易拓展到密集光束，使反射次数和总光程进一步增加；通过旋转倾斜子反射镜的角度进而改变总光程，使光程可变器件在工程上更容易实现；本方案提供的以光纤准直器阵列为输入端的高效光程折叠器件，免去了波长耦合器的使用，可直接应用于多波长输入，实现对多气体组分的实时探测；本方案提供的以光纤准直器阵列为输入和输出端的高效光程折叠器件，通过尾纤的光纤连接，将光程串联起来获得一个更大的光程，对于更高精度气体探测有重要价值。
如图10所示，在一个实施例中，示例性的示出输入端501和输出端502主平面反射镜504上的通光孔，光束通过自由空间传播方式输入和输出。
输入光束为非相干光，半径为A0，发散半角为β0。第一倾斜子反射镜505偏离原点509的距离取为2β0·f，并位于输入光束经凹面反射镜503第三次反射到达焦平面506的位置，其倾斜方向与输入端501与输出端502的连线方向平行，其孔径取为3β0·f，因此可以涵盖到达其上的光束直径2β0·f，并留有一定的冗余孔径；第一倾斜子反射镜505边缘距离输入端501与输出端502的连线最短距离为2倍输入光束的半径，即2A0，使得第一倾斜子反射镜505的孔径不会对其它光束产生干扰。
由于输入光束发散角较大，凹面反射镜503采用非球面反射镜，以获得优良的光学性能。
如图11所示，在一个实施例中，示例性的示出输入端501和输出端502为带有尾纤的光纤准直器，输入光束为相干光，从光纤准直器输入到高效光程折叠器件的光束为高斯光束，具有高斯束腰半径ω和远场发散半角α，定义光束半径为A0＝3ω，发散半角β0＝3α，以涵盖高斯光束绝大部分能量，并以此得到第一倾斜子反射镜505偏离原点509的距离为6α·f，孔径取为9α·f；倾斜子反射镜边缘距离输入与输出端的连线最短距离取为6ω。
在具体应用中，凹面反射镜是球面反射镜或非球面反射镜中的一种。
在一个实施例中，凹面反射镜503取为球面反射镜。
在取ω＝0.2mm,f＝200mm，α＝2.5mrad情况下，可以得到第一倾斜子反射镜偏离原点的距离约为3mm，其孔径约为4.5mm，其孔径边缘到输入和输出端连线的最短距离为1.2mm。在同样的相邻光束距离情况下，本实施例提供的高效光程折叠器件得到的光程是赫里奥特室和怀特室光程两倍以上，具有更高的光程体积比。
如图12所示，在一个实施例中，图10所示的高效光程折叠器件的第一倾斜子反射镜505可沿倾斜方向旋转，即可改变倾斜角θ1的大小，其转轴701在主平面反射镜504所在的焦平面506内，并由一个压电陶瓷型驱动器1201驱动其转动，倾斜角θ1由一个带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置1202测量，该装置发出的激光在倾斜子反射镜反射后到达四象限探测器，通过四象限探测器光强数据对比计算后得到倾斜角θ1的大小和方向。
倾斜角θ1可变导致移位矢量ΔP可变，倾斜角θ的选取使输入端和输出端的距离为ΔP的整数倍，就可使光束从输入端501到达输出端502，从而达到改变总光程的目的。
实施例二
如图13a和13b所示，在实施例一的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件600，在光程折叠器500的基础上增加一个位于输出端502位置处的第一条反射镜1301并去掉输出端502，将输入端501替换为一个输入输出端1302，并将第一倾斜子反射镜1301放置在主平面反射镜504的边缘。
在本实施例中，第一条反射镜1301为面积小于所述主平面反射镜504的平面反射镜，所述第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束平行或所述第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零；
所述输入输出端1302的入射出射面、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505和所述第一条反射镜1301共面且位于所述凹面反射镜503的焦平面5013，所述第一条反射镜1301相对所述输入输出端1302设置于所述主平面反射镜504的另一端；
光束从所述输入输出端1302输入，通过所述凹面反射镜503、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505和所述第一条反射镜1301之间的多次反射后，从所述输入输出端1302输出，所述第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端1302入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1时，从所述输入输出端1302入射和出射的光束的夹角为2γ1。
在具体应用中，本实施例所提供的4镜系统构成的高效光程折叠器件600相当于在3镜系统构成的光程折叠系统500的输出端502的位置增加放置一个第一条反射镜1301，将输出光束反射回光学系统，并再次利用凹面反射镜503、主平面反射镜504和第一倾斜子反射镜反射光束，区别在于，光斑位置将逆向返回到原输入端501所在位置，从输入端501所在位置输出，即现输入输出端1302所在位置。
当第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束平行时，反射光束将沿原路返回，在输入输出端1302处输出，输出光束与入输入光束的位置相同、角度相同且方向反向；
当第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束之间具有一定夹角时，反光束将逆向返回，在输入输出端1302处输出，输入光束与输出光束的位置相同但角度不同，可以实现输入光束和输出光束的空间分离。
在一个实施例中，所述输入输出端是带有尾纤的光纤准直器，光束通过所述光纤准直器输入和输出；
或者，所述输入输出端是带有尾纤阵列的光纤准直器阵列，光束通过所述光纤准直器阵列输入和输出；
或者，所述输入输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入输出端；
或者，所述输入输出端通过光纤连接发光器件和光探测器，所述输入输出端输入所述发光器件发出的光束，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输入输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
本实施例所提供的高效光程折叠器件600相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件500，光程增加一倍。
应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件600相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件500的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例一中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。
实施例三
如图14a和14b所示，在实施例二的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件700，在光程折叠器600的基础上增加一个第二倾斜子反射镜1401，将第一倾斜子反射镜505和第二倾斜子反射镜1401放置于原点509附近位置，将输入输出端1302还原为输入端501，将输出端502设置于输入端501旁，使第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束之间具有一定夹角，即使第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零。
在本实施例中，第二倾斜子反射镜1401也可以与实施例二中的第一倾斜子反射镜1301并排放置在主平面反射镜503的边缘。
在本实施例中，第二倾斜子反射镜1401，为面积小于所述主平面反射镜503的平面反射镜，所述第二倾斜子反射镜1401的法线与所述主平面反射镜504的法线之间的倾斜角为θ2；所述倾斜角θ2和θ1在所述焦平面上的投影不平行；
所述输入端501的入射面、所述输出端502的出射面、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505、所述第二倾斜子反射镜1401和所述第一条反射镜1301共面且位于所述凹面反射镜503的焦平面，所述输入端501和所述输出端502位于所述主平面反射镜504的同一端，所述第一条反射镜1301相对所述输入端501和所述输出端502设置于所述主平面反射镜504的另一端；
光束从所述输入端501输入，通过所述凹面反射镜503、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜1301、所述第二倾斜子反射镜1401和所述第一条反射镜1301之间的多次反射后，从所述输出端502输出。
在具体应用中，本实施例所提供的5镜系统构成的高效光程折叠器件700相当于在4镜系统构成的光程折叠系统600的基础上增加一个第二倾斜子反射镜1401，所述第二倾斜子反射镜1401的法线与所述主平面反射镜504的法线之间带有一定角度。
在本实施例中，第一条反射镜1301的法线与入射其上的光束带有一个角度，反射光束将逆向但不原路返回。第一条反射镜1301的法线取向使得返回光束不入射至第一倾斜子反射镜505，而是入射至第二倾斜子反射镜1401、与凹面反射镜503和主平面反射镜504组成的3镜系统，由于第二倾斜子反射镜1401相对于第一倾斜子反射镜505的倾斜方向存在一定角度，它们在主平面反射镜504上的投影不平行，返回光束轨迹在位置上将与正向轨迹分离，导致输出端501与输入端502的位置分离，可以实现输入光束和输出光束的空间分离。
定义正向3镜系统：第一倾斜子反射镜505、凹面反射镜503、主平面反射镜504组成。
定义反向3镜系统：第二倾斜子反射镜1401、凹面反射镜503、主平面反射镜504组成。
在一个实施例中，所述高效光程折叠器件还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜和所述第二倾斜子反射镜沿各自的倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
在本实施例中，当高效光程折叠器件还包括驱动器和角度测量装置时，所述驱动器与实施例一中的驱动器702为同一器件，所述角度测量装置和角度测量装置703为同一器件，所不同的是，在本实施例中，驱动器702还用于驱动第二倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；角度测量装置703还用于测量所述倾斜角θ2。即第一倾斜子反射镜和第二倾斜子反射镜均由驱动器702来驱动，也均由角度测量装置703来测量角度大小。
本实施例所提供的高效光程折叠器件700相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件500，光程增加一倍，与实施例二所提供的高效光程折叠器件600的光程相同。
应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件700相对于实施例二所提供的高效光程折叠器件600的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例二中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。
实施例四
如图15a和15b所示，在实施例三的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件800，在光程折叠器700的基础上增加一个第二条反射镜1501。
在本实施例中，第二条反射镜1501，为面积小于所述主平面反射镜504的平面反射镜，所述第二条反射镜1501的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2；所述倾斜角γ2不为零；
所述输入端501的入射面、所述输出端502的出射面、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505、所述第二倾斜子反射镜1401、所述第一条反射镜1301和所述第二条反射镜1501共面且位于所述凹面反射镜503的焦平面506，所述输入端501、所述输出端502和所述第二条反射镜1501位于所述主平面反射镜504的同一端，或者，所述第一条反射镜1301和所述输出端502位于所述主平面反射镜504的同一端；
光束从所述输入端501输入，通过所述凹面反射镜503、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505、所述第二倾斜子反射镜1401、所述第一条反射镜1301和所述第二条反射镜1501之间的多次反射后，从所述输出端502输出。
在具体应用中，本实施例所提供的6镜系统构成的高效光程折叠器件800相当于在5镜系统构成的光程折叠系统700的基础上增加一个第二条反射镜1501，所述第二条反射镜1501的法线与入射其上的光束之间带有一定角度。
在本实施例中，所述第二条反射镜1501的法线与入射其上的光束之间带有一定角度，第二条反射镜1501在5镜系统的基础上反射原本将由输出端502输出的光束，即反射反向3镜系统返回的光束，使光束再次沿正向传播。第二条反射镜1501的法线取向使得再次沿正向传播的光束入射至第一倾斜子反射镜505、凹面反射镜503和主平面反射镜504组成的正向3镜系统，正向传播至第一条反射镜1301并被第一条反射镜1301反射，沿反向3镜系统返回至第二条反射镜1501并被反射，如此循环往复，直到光束达到输出端502被输出。
在本实施例中，输出端502可以和第一条反射镜1301位于主平面反射镜504的同一端，也可以和第二条反射镜1501位于主平面反射镜504的同一端。图15a和15b中示例性的示出输出端502和第二条反射镜1501位于主平面反射镜504的同一端。
本实施例所提供的高效光程折叠器件800相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件500，光程最大可增加2(n-1)，其中，n为光束在到达输出端之前被循环往复的次数，n≥1且n为整数。
应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件800相对于实施例三所提供的高效光程折叠器件700的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例三中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。
实施例五
如图16a和16b所示，在实施例四的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件900，在光程折叠器件800的基础上增加一个位于输出端502位置处的第三条反射镜1601并去掉输出端502，将输入端501替换为一个输入输出端1302。
在本实施例中，第三条反射镜1601，为面积小于所述主平面反射镜504的平面反射镜，所述第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束平行或所述第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3；所述倾斜角γ3不为零；
所述输入输出端1302的入射出射面、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505、所述第二倾斜子反射镜1401、所述第一条反射镜1301、所述第二条反射镜1501和所述第三条反射镜共面且位于所述凹面反射镜503的焦平面，所述输入输出端1302、所述第二条反射镜1501和所述第三条反射镜1601位于所述主平面反射镜504的同一端；
光束从所述输入输出端1302输入，通过所述凹面反射镜503、所述主平面反射镜504、所述第一倾斜子反射镜505、所述第二倾斜子反射镜1401、所述第一条反射镜1301、所述第二条反射镜1501和所述第三条反射镜1601之间的多次反射后，从所述输入输出端1302输出，所述第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端1302入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3时，从所述输入输出端1302入射和出射的光束的夹角为2γ3。
在具体应用中，本实施例所提供的7镜系统构成的高效光程折叠器件900相当于在6镜系统构成的光程折叠系统800的输出端502的位置增加放置一个第三条反射镜1601，将输出光束反射回光学系统，并再次循环往复的反射，区别在于，光斑位置将逆向返回到原输入端501所在位置，从输入端501所在位置输出，即现输入输出端1302所在位置。
当第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束平行时，反射光束将沿原路返回，在输入输出端1302处输出，输出光束与入输入光束的位置相同、角度相同且方向反向；
当第三条反射镜1601的法线与入射其上的光束之间具有一定夹角时，反光束将逆向返回，在输入输出端1302处输出，输入光束与输出光束的位置相同但角度不同，可以实现输入光束和输出光束的空间分离。
本实施例所提供的高效光程折叠器件900相对于实施例四所提供的高效光程折叠器件800，光程增加一倍。
应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件900相对于实施例四所提供的高效光程折叠器件800的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例四中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。
以上所述仅为本方案的较佳实施例而已，并不用以限制本方案，凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，应包含在本方案的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种光程折叠器件，其特征在于，包括：
一个输入端，用于输入光束；
一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；
一个主平面反射镜；
一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f；所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在所述焦平面上的交点；
一个第一倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1；所述倾斜角θ1不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜和所述第一倾斜子反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜和所述第一倾斜子反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
2.如权利要求1所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个第二倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；所述倾斜角θ2和所述倾斜角θ1在所述焦平面上的投影不平行；
一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜和所述第一条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端，所述第一条反射镜相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
3.如权利要求2所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2；所述倾斜角γ2不为零；
所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端、所述输出端和所述第二条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端，或者，所述第一条反射镜和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端；
光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。
4.如权利要求1～3任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，所述输入光束的半径为A0，发散半角为β0；
所述第一倾斜子反射镜偏离所述焦平面的原点的距离大于所述输入光束的发散半角与所述凹面反射镜的焦距之积β0·f。
5.如权利要求4所述的光程折叠器件，其特征在于，所述第一倾斜子反射镜位于所述输入光束经所述凹面反射镜第一次或第三次反射后到达所述焦平面的位置，所述第一倾斜子反射镜的通光直径大于2β0·f。
6.如权利要求5所述的光程折叠器件，其特征在于，所述第一倾斜子反射镜的倾斜角方向的选取使得所述输入光束经过所述凹面反射镜的偶数次反射后到达所述焦平面时，所述输入光束的中心到所述第一倾斜子反射镜边界的距离大于所述输入光束的半径A0。
7.如权利要求1～3任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，所述输入端是带有第一尾纤的第一光纤准直器，光束通过所述第一光纤准直器输入；
或者，所述输入端是带有第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列，光束通过所述第一光纤准直器阵列输入；
或者，所述输入端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入端；
或者，所述输入端通过光纤连接发光器件，所述输入端输入所述发光器件发出的光束；
所述输出端是带有第二尾纤的第二光纤准直器，所述输出光束通过所述第二光纤准直器输出；
或者，所述输出端是带有第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列，所述输出光束通过所述第二光纤准直器阵列输出；
或者，所述输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，所述输出光束从所述输出端输出至自由空间；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
8.如权利要求1～3任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
9.如权利要求2或3任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜和所述第二倾斜子反射镜沿各自的倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入端到所述输出端的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
10.如权利要求1所述的光程折叠器件，其特征在于，所述输出端位于所述输入光束被所述凹面反射镜反射4的正整数倍次之后达到所述焦平面的位置。
11.一种光程折叠器件，其特征在于，包括：
一个输入输出端，用于输入光束和输出光束；
一个主平面反射镜；
一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f；所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在所述焦平面上的交点；
一个第一倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1；所述倾斜角θ1不为零；
一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束平行或所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1；所述倾斜角γ1不为零；
所述输入输出端的入射出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜和所述第一条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述第一条反射镜相对所述输入输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；
光束从所述输入输出端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输入输出端输出，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为2γ1。
12.如权利要求11所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个第二倾斜子反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二倾斜子反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；所述倾斜角θ2和θ1在所述焦平面上的投影不平行；
一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2；所述倾斜角γ2不为零；
一个第三条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束平行或所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3；所述倾斜角γ3不为零；
所述输入输出端的入射出射面、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入输出端、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端；
光束从所述输入输出端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述第一倾斜子反射镜、所述第二倾斜子反射镜、所述第一条反射镜、所述第二条反射镜和所述第三条反射镜之间的多次反射后，从所述输入输出端输出，所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束平行时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为0且方向相反；所述第三条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ3时，从所述输入输出端入射和出射的光束的夹角为2γ3。
13.如权利要求11或12任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，所述输入光束的半径为A0，发散半角为β0；
所述第一倾斜子反射镜偏离所述焦平面的原点的距离大于所述输入光束的发散半角与所述凹面反射镜的焦距之积β0·f。
14.如权利要求13所述的光程折叠器件，其特征在于，所述第一倾斜子反射镜位于所述输入光束经所述凹面反射镜第一次或第三次反射后到达所述焦平面的位置，所述第一倾斜子反射镜的通光直径大于2β0·f。
15.如权利要求14所述的光程折叠器件，其特征在于，所述第一倾斜子反射镜的倾斜角方向的选取使得所述输入光束经过所述凹面反射镜的偶数次反射后到达所述焦平面时，所述输入光束的中心到所述第一倾斜子反射镜边界的距离大于所述输入光束的半径A0。
16.如权利要求11或12任一项所述的光程折叠器件，其特征在于，所述输入输出端是带有尾纤的光纤准直器，光束通过所述光纤准直器输入和输出；
或者，所述输入输出端是带有尾纤阵列的光纤准直器阵列，光束通过所述光纤准直器阵列输入和输出；
或者，所述输入输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入输出端；
或者，所述输入输出端通过光纤连接发光器件和光探测器，所述输入输出端输入所述发光器件发出的光束，所述输出光束被所述光探测器接收；
或者，所述输入输出端通过光纤连接光探测器阵列，所述输出光束被所述光探测器阵列接收。
17.如权利要求11或12所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜沿其倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1的大小，从而使光束从所述输入输出端输入到输出的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
18.如权利要求12所述的光程折叠器件，其特征在于，还包括：
一个驱动器，用于驱动所述第一倾斜子反射镜和所述第二倾斜子反射镜沿各自的倾斜角方向转动，以改变所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2的大小，从而使光束从所述输入输出端输入到输出的总光程可变；
一个角度测量装置，用于测量所述倾斜角θ1和所述倾斜角θ2；
其中，所述驱动器是压电陶瓷型或电磁型驱动器中的一种，所述角度测量装置是带有测量激光和四象限探测器的光学角度测量装置。
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