CN109634026A - 一种高速光学快门的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光学快门的实现方法，该高速光学快门的实现包括驱动模块、快门模块和数据处理，所述驱动模块在接收到触发信号后触发其内部高压输出模块输出直流驱动电压，所述快门模块根据该直流驱动电压控制入射光的偏振状态从而控制入射光光路的通断，所述数据处理根据驱动模块的高压数值和入射光的波长推算出该高速光学快门对不同波长入射光的透过率，本发明能够方便有效的实现宽波段、ns级高速光学门控，提高探测信号的信噪比，降低仪器成本。

Description

一种高速光学快门的实现方法

技术领域

本发明涉及光学器件应用技术领域，尤其涉及一种高速光学快门的实现方法。

背景技术

随着科学技术的发展，工业相机广泛运用于科学研究以便得到更加全面和直观的二维和三维数据信息。如在核聚变研究中的TV汤姆逊散射诊断，通过CCD相机获得汤姆逊散射谱的空间强度分布。汤姆逊散射光的波长范围为700nm-1100nm,同时汤姆逊散射光受其入射激光脉宽(10ns)的限制，其宽度为10-15ns，因此需要对于近红外宽波段入射光的ns级别快门，以便于精确测量散射光信息，最大化收集信息的信噪比，提高测量系统精度。

对于相机快门操作技术主要是机械门和光电技术门。机械门显然不能达到ns级别响应速度。光电技术门主要采用图像增强器，但其价格昂贵，需要高电压和真空封装，因此难以得到广泛应用。随着激光技术的发展，基于电光效应的电光技术门因为其GHZ的光学响应速度广泛被用于激光器削波技术中，并可达到PS级别的削波宽度和1ns左右的抖动。一般情况下，电光晶体的半波电压较高，为了降低其功率损耗，可采用n级晶体串联(光路串联、电路并联)。为避免快门系统透过率太低，一般采用2级晶体串联，此时直流驱动电压为四分之一主入射光波长电压。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高速光学快门的实现方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高速光学快门的实现方法，包括有驱动模块、快门模块和数据处理系统，所述的驱动模块接收触发信号，输出直流驱动电压；所述的快门模块接收入射光，并根据所述的直流驱动电压控制入射光的偏振状态从而控制入射光光路的通断；所述的数据处理系统根据驱动模块的高压数值和入射光的波长推算出高速光学快门对不同波长入射光的透过率。

所述的驱动模块包括有触发模块、延时器一、延时器二、高压调节模块和高压输出模块，所述的触发模块的一个输入端子接收外部触发信号，两个输出端子分别与延时器一和延时器二的输入端子相连，触发模块仅在接收到触发信号的上升沿后响应，所述的延时器一、延时器二和高压调节模块的输出端子分别连接高压输出模块的三个输入端子，所述的触发模块接收外部触发信号并触发延时器一和延时器二工作，延时器一调节高压输出模块的电压输出时刻；延时器二调节高压输出模块的电压输出宽度；高压调节模块调节高压输出模块的输出高压的幅值；高压输出模块的两个输出端子分别输出直流驱动电压一和直流驱动电压二，并与快门模块相连。

所述的快门模块包括有偏振片一、KDP晶体一、KDP晶体二和偏振片二，所述的偏振片一、KDP晶体一、KDP晶体二和偏振片二依次按顺序放置，且光入射面互相平行，入射光垂直偏振片一入射，所述偏振片一和偏振片二快轴互相垂直，所述KDP晶体一和KDP晶体二并联连接，且主轴平行，KDP晶体一和KDP晶体二的输入端口分别与所述的高压输出模块的两个输出端口相连；偏振片一为起偏器，仅允许特定偏振状态的光通过，KDP晶体一和KDP晶体二分别根据直流驱动电压一和直流驱动电压二改变入射光的偏振状态；偏振片二为检偏器，仅抑制与经过偏振片一相同偏振状态的光通过。

本发明的优点是：本发明利用基于电光效应的光学快门实现ns级别的光学门控；利用驱动模块实现对快门采集时间、宽度和频率的精确控制；利用驱动模块的高压调节模块可实现对不同特定波长入射光的全部透过；当背景光为圆偏振，散射光为线偏振时(如汤姆逊散射诊断的信号光)，利用起偏器可以削弱背景光的强度而保持信号光强度不变，从而增加出射光的信噪比；可以方便快速调节快门模块的光轴，从而实现对于不同偏振方向的线偏振光达到最大透过率；利用快门模块的起偏器和检偏器实现在无压状态下对不同波长入射光的全部关断；利用不同波长光的偏振状态与高速光学快门所加直流驱动电压的关系通过数据处理实现对不同波长出射光的强度还原，从而实现宽波段快门操作；操作简单，节约成本。

附图说明

图1为本发明方法原理框图。

图2为驱动模块的原理框图。

图3为驱动模块的时序图。

图4为快门模块的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种高速光学快门的实现方法，包括有驱动模块110、快门模块120和数据处理系统，所述的驱动模块110接收触发信号，输出直流驱动电压；所述的快门模块120接收入射光，并根据所述的直流驱动电压控制入射光的偏振状态从而控制入射光光路的通断；所述的数据处理系统根据驱动模块的高压数值和入射光的波长推算出高速光学快门对不同波长入射光的透过率。

所述的驱动模块110包括有触发模块111、延时器一112、延时器二113、高压调节模块115和高压输出模块114，所述的触发模块111的一个输入端子接收外部触发信号，两个输出端子分别与延时器一112和延时器二113的输入端子相连，触发模块111仅在接收到触发信号的上升沿后响应，所述的延时器一112、延时器二113和高压调节模块115的输出端子分别连接高压输出模块114的三个输入端子，所述的触发模块111接收外部触发信号并触发延时器一112和延时器二113工作，延时器一112调节高压输出模块114的电压输出时刻；延时器二112调节高压输出模块114的电压输出宽度；高压调节模块115调节高压输出模块114的输出高压的幅值；高压输出模块114的两个输出端子分别输出直流驱动电压一和直流驱动电压二，并与快门模块120相连。

所述的快门模块120包括有偏振片一121、KDP晶体一122、KDP晶体二123和偏振片二124，所述的偏振片一121、KDP晶体一122、KDP晶体二123和偏振片二124依次按顺序放置，且光入射面互相平行，入射光垂直偏振片一121入射，所述偏振片一121和偏振片二124快轴互相垂直，所述KDP晶体一122和KDP晶体二123并联连接，且主轴平行，KDP晶体一122和KDP晶体二123的输入端口分别与所述的高压输出模块114的两个输出端口相连；偏振片一121为起偏器，仅允许特定偏振状态的光通过，KDP晶体一122和KDP晶体二123分别根据直流驱动电压一和直流驱动电压二改变入射光的偏振状态；偏振片二124为检偏器，仅抑制与经过偏振片一121相同偏振状态的光通过。

触发模块111、延时器一112和延时器二113的工作时序图如图3所示，AB之间的宽度代表从驱动模块接收到触发信号后到快门开始工作之间的时间间隔，BC之间的宽度代表快门的宽度，AB和BC的宽度值分别与延时器一112和延时器二113相对应。高压输出模块共有两个输出，分别与快门模块的KDP晶体一122和KDP晶体二123正负极相连。如图4所示，快门模块包括偏振片一121、KDP晶体一122、KDP晶体二123和偏振片二124。上述四个仪器依次按次序放置，且光入射面互相平行。入射光垂直偏振片一入射，且偏振片一和偏振2的快轴互相垂直。KDP晶体一和KDP晶体二在电路上并联，在光路上串联，且主轴平行，且两个输入端口分别与高压输出模块的两个输出端口相连。

工作原理：偏振片一121和偏振片二124的快轴垂直放置，假设偏振片一121的光轴为竖直方向，偏振片二124的光轴为水平方向，则偏振片一121只能通过竖直方向的偏振光，偏振片二124只能通过水平方向的偏振光，因此当KDP晶体一122和KDP晶体二123不工作时，通过偏振片一121的光将无法通过偏振片二124，从而快门模块无光通过，快门模块处于关闭状态。KDP晶体等同于一个电压控制的波片，在加压状态下将改变偏振光的偏振状态，当所加电压为四份之一入射波长电压时，通过偏振片一121的垂直偏振光经过KDP晶体一122后变为圆偏振光，再经过KDP晶体二123后变为水平偏振光，从而入射光经KDP晶体一122和KDP晶体二123后能够通过偏振片二124，此时快门模块处于打开状态。因为KDP晶体的四分之一入射波长电压与入射光的波长有关，因此针对不同主波长的入射光，需要调节高压输出模块的输出的高压的幅值，以便快门模块针对该波长处于完全关闭或打开状态。KDP晶体一122和KDP晶体二123在电路上并联，当KDP晶体正接线端和负接线端的电压相同时，KDP晶体未加电压，晶体两端无电压差，快门模块处于关闭状态；当KDP晶体正接线端和负接线端电压不同时，晶体两端出现电压差，KDP晶体处于加压状态，快门模块处于打开状态。

首先用校准过的LED灯管并搭配单色仪作为光源，对于TS散射谱的波段为700nm-1100nm，因此依次从700nm到1100nm进行扫描，并用ps级别的功率探测器探测出射光强度，记为Iλ(λ＝700-1100)；其次按照上述要求在光源与探测器之间搭建快门系统，并记录经过该系统且系统无施加电压时的各波长出射光的强度，记为E0λ(λ＝700-1100),如果E0λ＝0，则说明系统在无压状态下完全关断；然后选取900nm的入射光为中心光线来确定高压调节模块的电压值，调节延时模块1、延时模块2和高压调节模块的参数为适当值，触发信号则采用信号发生器输出幅值为5V，占空比为4％，频率为1HZ的矩形脉冲，对光源从700-1100nm依次扫描，同时用探测器检测输出脉冲的形状，查看脉冲截取的时间点与延时模块1的值是否对应，脉冲宽度与延时模块2的值是否对应，记录在加压状态下快门模块的出射光的强度，记为Eλ(λ＝700-1100)，则系统的透过率为Tλ＝Eλ/Iλ(λ＝700-1100)。最后系统针对任何波长为λ的入射光，假设探测的出射光强为E1λ，则入射光强可直接根据绝对校准的透过率得到，即入射光强为I1λ＝E1λ/Tλ。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (3)

1.一种高速光学快门的实现方法，其特征在于：包括有驱动模块、快门模块和数据处理系统，所述的驱动模块接收触发信号，输出直流驱动电压；所述的快门模块接收入射光，并根据所述的直流驱动电压控制入射光的偏振状态从而控制入射光光路的通断；所述的数据处理系统根据驱动模块的高压数值和入射光的波长推算出高速光学快门对不同波长入射光的透过率。

2.根据权利要求1所述的一种高速光学快门的实现方法，其特征在于：所述的驱动模块包括有触发模块、延时器一、延时器二、高压调节模块和高压输出模块，所述的触发模块的一个输入端子接收外部触发信号，两个输出端子分别与延时器一和延时器二的输入端子相连，触发模块仅在接收到触发信号的上升沿后响应，所述的延时器一、延时器二和高压调节模块的输出端子分别连接高压输出模块的三个输入端子，所述的触发模块接收外部触发信号并触发延时器一和延时器二工作，延时器一调节高压输出模块的电压输出时刻；延时器二调节高压输出模块的电压输出宽度；高压调节模块调节高压输出模块的输出高压的幅值；高压输出模块的两个输出端子分别输出直流驱动电压一和直流驱动电压二，并与快门模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种高速光学快门的实现方法，其特征在于：所述的快门模块包括有偏振片一、KDP晶体一、KDP晶体二和偏振片二，所述的偏振片一、KDP晶体一、KDP晶体二和偏振片二依次按顺序放置，且光入射面互相平行，入射光垂直偏振片一入射，所述偏振片一和偏振片二快轴互相垂直，所述KDP晶体一和KDP晶体二并联连接，且主轴平行，KDP晶体一和KDP晶体二的输入端口分别与所述的高压输出模块的两个输出端口相连；偏振片一为起偏器，仅允许特定偏振状态的光通过，KDP晶体一和KDP晶体二分别根据直流驱动电压一和直流驱动电压二改变入射光的偏振状态；偏振片二为检偏器，仅抑制与经过偏振片一相同偏振状态的光通过。