CN112764166B - 一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，包括光纤准直器、双面反射棱镜和中空反射镜，所述双面反射棱镜包括两个呈135°夹角的第一反射面和第二反射面，第一反射面分别与光纤准直器光轴和中空反射镜光轴呈45°夹角，第二反射面与中空反射镜光轴垂直，在运动部的带动下，双面反射棱镜和中空反射镜相对运动，光纤准直器发出的入射光经过第一反射面反射到中空反射镜，在中空反射镜上经过多次反射后入射到第二反射面，第二反射面反射后再经原光路返回。解决了准直器与反射镜尺寸干涉的问题，从而可以采用更大通光口径的准直器，降低了装调难度与插入损耗。

Description

一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线

技术领域：

本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线。

背景技术：

光纤延迟线在太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)、光学相干断层成像技术(OCT)、超快时间分辨率光谱技术等光学探测领域有广泛的应用。对于亚皮秒和飞秒级的时域脉冲信号，由于采集卡带宽和采样频率等限制，没有办法准确还原信号波形，因此利用光纤延迟线可以实现定量光路延迟的功能，通过控制信号发射源与信号探测器之间的光程差，使得探测器类似于探针一样，在其时域脉冲信号波形上按照一定规律滑动，最后采用描点的方式将脉冲波形复现出来，实现等效延迟采样。由于在采样过程中，利用光纤延迟线可以实现单点重复采样，结合累加平均的数据处理方法，复现出来的脉冲信号可以实现很高的信噪比。

光纤延迟线是一种采用光纤耦合、能够改变光程的装置。一般光纤延迟线的基本原理是通过入射光纤准直器将光纤内传输的激光耦合至延迟线内部，经过其内部光学反射镜的多次反射后进入出射光纤准直器，完成一个完整的光路循环；通过定量移动延迟线内部的光学反射镜，可以定量的改变光程，从而达到光路延迟的目的。图1为一种现有的光纤延迟线光路图，其包括光纤准直器1、中空反射镜3和平面反射镜18，光纤准直器光轴和中空反射镜光轴平行，中空反射镜光轴与平面反射镜反射面垂直，光线传输过程如图所示，其中开放箭头表示光纤准直器出射光的传输方向，封闭箭头表示经过平面反射镜反射后的光线传输方向。可以看出，由于光路布局及平面反射镜的尺寸限制，光纤准直器的直径及装调空间不可能选择过大，这样就会增加装调的难度，且不利于降低插入损耗。

利用光纤延迟线采集时域脉冲信号，其光路的延迟范围即采集到的脉冲信号的时间窗口长度，延迟范围越大，对应的频谱分辨率越高，越容易得到更加精细的频谱图。延迟线的扫描频率指的是一秒内可以完成的完整延迟范围扫描的次数，也就是一秒内可以采集到的时域脉冲波形数。延迟线的延迟精度指的是其定量改变光程的准确性，这对于采集到的信号的准确度与信噪比至关重要。在实际应用中，光线延迟线延迟范围越长、扫描频率越高、延迟精度越高，其性能表现就越好。

目前通用的光纤延迟线主要存在以下问题：

1)延迟范围与扫描频率是一对相互矛盾的指标，一般的延迟范围越长对应的扫描频率越低，扫描频率高的对应的延迟范围也就短一些。

2)延迟精度差，其实际光程改变量与指令值有偏差，不能准确还原被测信号波形。

3)由于光纤准直器与内部反射镜光轴平行，加之固定光学器件的结构件加工工艺限制，光纤准直器通光口径与装调余量不能设计过大，造成装调困难，插损过大。

4)对于外界振动环境适应性差。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，在性能指标上同时兼顾长延迟范围与高扫描频率，在延迟等效采样中可以提高信号频谱分辨率，缩短获取完整波形的时间，提高采样效率。另外，通过引入闭环控制、优化光路结构以及采用新型复合材料，可以进一步提升延迟线的性能表现与环境适应性。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线包括光纤准直器、双面反射棱镜和中空反射镜，所述双面反射棱镜包括两个呈135°夹角的第一反射面和第二反射面，第一反射面分别与光纤准直器光轴和中空反射镜光轴呈45°夹角，第二反射面与中空反射镜光轴垂直，在运动部的带动下，双面反射棱镜和中空反射镜相对运动，光纤准直器发出的入射光经过第一反射面反射到中空反射镜，在中空反射镜上经过多次反射后入射到第二反射面，第二反射面反射后再经原光路返回。

进一步地，本发明涉及的运动部包括镜架、音圈电机动子、音圈电机定子、音圈电机驱动器、滑块、导轨、直线光栅编码尺和光栅读数头，滑块上部与镜架固定连接，滑块与导轨滑动连接，中空反射镜固定在镜架前端，镜架后端连接音圈电机动子，音圈电机动子与音圈电机定子构成音圈电机，音圈电机与音圈电机驱动器连接，直线光栅编码尺固定在镜架或滑块一侧，在直线光栅编码尺一侧固定设置对应的光栅读数头，光栅读数头与音圈电机驱动器连接，或光栅读数头固定在镜架或滑块一侧，在光栅读数头一侧固定设置对应的直线光栅编码尺，直线光栅编码尺固定在安装底座上。

进一步地，光栅读数头、导轨均固定安装在安装底座上，在安装底座上沿导轨长度方向固定侧板，作为光纤准直器提供装调与安装接口，在安装底座两端分别固定左侧板和右侧板，双面反射棱镜固定在左侧板上，中空反射镜固定在侧板上，音圈电机定子固定在右侧板上。

进一步地，本发明涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线，还包括与光纤准直器连接的光纤环形器，光纤环形器为光纤耦合的光路方向控制器件，有三个端口：port1、port2和port3，光纤准直器尾纤通过FC/APC接口与光纤环形器0的port2口连接，port1作为入射光输出端口，port3作为出射光输出端，内部光线传输方向为：port1→port2，port2→port3。

具体地，本发明涉及的光纤准直器1为高斯光束准直器件，工作距离为120mm～310mm，光斑直径≤0.8mm，通光口径4mm。

具体地，本发明涉及的双面反射棱镜为五棱柱形棱镜，第一反射面和第二反射面之间的135°角度误差≤1′，双面反射棱镜材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃。

具体地，本发明涉及的中空反射镜为三个反射面两两垂直的反射镜，其特点是入射光和出射光始终保持平行，平行度误差取决于三个反射面垂直度误差，中空反射镜材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃，对应地，镜架采用与K8玻璃热膨胀系数基本一致的金属材料TC4

进一步地，本发明涉及的第一反射面、第二反射面和中空反射镜表面均镀有对应使用波段的高反膜，发射率≥99％。

本发明涉及的音圈电机运动行程22.5mm，对应300ps的延迟范围，12N的持续推力，对应扫描频率为10Hz。

具体地，本发明涉及的安装底座包括从上向下依次设置的上层板、阻尼弹性中间层和下层板，阻尼弹性中间层由粘弹性阻尼材料层和金属薄板交替铺叠而成。

具体地，所述金属薄板、上层板和下层板一般选用损耗因子较小的金属材料,粘弹性阻尼材料层803选用人造橡胶。

本发明涉及的安装底座，还包括金属衬片，金属衬片置于阻尼弹性中间层四周，然后通过螺钉将上层板、金属衬片和下层板从上往下固定在延迟线安装平台上，进而将阻尼弹性中间层加紧固定。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.设计大推力、长行程音圈电机，可以使延迟线在现有光路基础上，获得更长的光路延迟范围，在一定程度上可以兼顾延迟范围与扫描频率，实现长延迟范围与高扫描频率。

2.引入高精度直线光栅编码尺，组成闭环控制，提高了延迟线延迟精度。

3.提出一种准直器光轴与反射镜光轴垂直的延迟光路系统，解决了准直器与反射镜尺寸干涉的问题，从而可以采用更大通光口径的准直器，降低了装调难度与插入损耗。

4.设计阻尼夹板式的安装基座，可以将延迟线内部与外部的振源隔离开来，避免了外部振源对于延迟线内部的干扰，也避免了音圈电机振动与外部振源可能发生的共振，提高了延迟线对于振动环境的适应性，也保护了内部光路系统，进一步保证了其延迟精度。

附图说明：

图1为现有技术中光纤延迟线的光路图。

图2为实施例1中涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线结构示意图。

图3为实施例1中涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线的光路图。

图4为实施例1中涉及的电机闭环控制系统图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2和3所示，本实施例涉及的一种长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线，包括光纤准直器1、双面反射棱镜2和中空反射镜3，所述双面反射棱镜2包括两个呈135°夹角的第一反射面201和第二反射面202，第一反射面201分别与光纤准直器1光轴和中空反射镜3光轴呈45°夹角，第二反射面202与中空反射镜3光轴垂直，在运动部的带动下，双面反射棱镜2和中空反射镜3相对运动，光纤准直器1发出的入射光经过第一反射面201反射到中空反射镜3，在中空反射镜3上经过多次反射后入射到第二反射面202，第二反射面202反射后再经原光路返回。光线传输过程如图3所示，其中开放箭头表示光纤准直器1出射光的传输方向，封闭箭头表示经过双面反射棱镜2第二反射面202反射后的光线传输方向。通过加入一个与中空反射镜3光轴呈45°夹角的第一反射面201，使得光纤准直器1光轴与中空反射镜3光轴垂直，从而解决了图1中光纤准直器18与内部平面反射镜20在空间布局上的尺寸干涉问题，从而可以采用更大通光口径的光纤准直器1，也可以设计更大的装调余量，降低装调难度与插入损耗。

进一步地，本实施例涉及的运动部包括镜架4、音圈电机动子5、音圈电机定子6、音圈电机驱动器16、滑块11、导轨12、直线光栅编码尺9和光栅读数头10，滑块11上部与镜架4固定连接，滑块11与导轨12滑动连接，中空反射镜3固定在镜架4前端，镜架4后端连接音圈电机动子5，音圈电机动子5与音圈电机定子6构成音圈电机，音圈电机与音圈电机驱动器16连接，直线光栅编码尺9固定在镜架4或滑块11一侧，在直线光栅编码尺9一侧固定设置对应的光栅读数头10，光栅读数头10与音圈电机驱动器16连接。

在音圈电机驱动器16的驱动下，音圈电机动子5带动镜架4和滑块11沿着导轨12作直线往复运动，进而实现中空反射镜3的往复运动，改变光程，过程中对于经过的每一条直线光栅编码尺9上的莫尔条纹，光栅读数头10上的探针就会产生一个电脉冲，将电脉冲实时发送给音圈电机驱动器16，获取中空反射镜3的实时位置信息，完成闭环控制，实现音圈电机动子运动位置的精准控制，从而提升延迟线的延迟精度。因此，直线光栅编码尺的分辨率直接影响延迟线的延迟精度。具体地，Δl(μm)的光栅尺分辨率对应13.33Δl(fs)的延迟精度，所述直线光栅编码尺分辨率选用0.1μm，对应的延迟精度可以达到1.33fs。

进一步地，光栅读数头10、导轨12均固定安装在安装底座8上，在安装底座8上沿导轨12长度方向固定侧板7，作为光纤准直器提供装调与安装接口，装调余量为单边1.5mm，在安装底座8两端分别固定左侧板19和右侧板20，双面反射棱镜2固定在左侧板19上，中空反射镜3固定在侧板7上，音圈电机定子6固定在右侧板20上。

进一步地，本实施例涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线，还包括与光纤准直器1连接的光纤环形器0，光纤环形器0为光纤耦合的光路方向控制器件，有三个端口：port1、port2和port3，光纤准直器1尾纤通过FC/APC接口与光纤环形器0的port2口连接，port1作为入射光输出端口，port3作为出射光输出端，内部光线传输方向为：port1→port2，port2→port3。

具体地，本实施例涉及的光纤准直器1为高斯光束准直器件，其工作距离在光束从离开光纤准直器端口经过多次反射后进入光纤准直器端口所走过的路程的最小值到最大值之间，在其工作距离内，光束具有良好的准直性，光斑直径也很小，本实施例中光纤准直器工作距离为120mm～310mm，光斑直径≤0.8mm，通光口径4mm。

具体地，如图3所示，本实施例涉及的双面反射棱镜2为五棱柱形棱镜，第一反射面201和第二反射面202之间的135°角度误差≤1′，双面反射棱镜2材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃。

具体地，本实施例涉及的中空反射镜3为三个反射面两两垂直的反射镜，其特点是入射光和出射光始终保持平行，平行度误差取决于三个反射面垂直度误差，中空反射镜3材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃。为了与中空反射镜获得最佳的热匹配效果，镜架采用与K8玻璃热膨胀系数基本一致的金属材料TC4。具体地，通过光学环氧胶将中空反射镜3粘接在镜架4前端的固定孔中，滑块11通过螺钉与镜架4连接，镜架4与音圈电机动子5通过螺钉连接。滑块11与导轨12共同作为镜架4的运动支撑部件，滑块11通过薄膜润滑脂与导轨12接触，滑块11与导轨12共同确保了镜架运动的良好直线度与低摩擦损耗。

进一步地，本实施例涉及的第一反射面201、第二反射面202和中空反射镜3表面均镀有对应使用波段的高反膜，发射率≥99％。具体地，高反膜为银+介质的1550nm波段的高反膜，膜层厚度1.6μm。

本实施例涉及的音圈电机运动行程22.5mm，对应300ps的延迟范围，12N的持续推力，对应扫描频率为10Hz。驱动部舍弃了常用的步进电机形式，设计了更大推力与行程的音圈电机，可以使延迟线在现有光路基础上，获得更长的光路延迟范围，本专利采用的光路结构，其入射激光在延迟线内部发生3次反射，这样L的电机行程可以获得4L的光路延迟范围，即电机行程每增加1mm，其延迟范围也将增加13.33ps。推力与扫描频率的二次方成正比关系，由于推力更大，在行程确定的情况下，音圈电机可以支持更高的扫描频率。

具体地，本实施例涉及的安装底座8包括从上向下依次设置的上层板801、阻尼弹性中间层和下层板806，阻尼弹性中间层由粘弹性阻尼材料层803和金属薄板804交替铺叠而成。金属薄板804可以保证延迟线安装结构的强度，粘弹性阻尼材料层803能够增加延迟线的抗振性能。粘弹性阻尼材料层803作为缓冲区，隔离内部器件与外部振源，避免因外部振源影响延迟线内部光学元件而降低延迟精度；同时，由于振荡光纤延迟线内部的音圈电机振动频率一般低于100Hz，容易和外部振源发生共振，对延迟线造成不可逆损伤，阻尼层的存在则可以避免这种情况，提高延迟线的安全性，保证其工作寿命。

损耗因子表示材料本身对于加载力的消耗能力，损耗因子越大，则减振效果越好，因此，粘弹性阻尼材料层803采用具有高损耗因子的粘弹性高分子聚合物，例如丁基树脂、阻尼粘性胶、硫化橡胶、人造橡胶等。当外界振动作用在阻尼材料上时，中间的高分子聚合物层产生剪切变形，将振动能转换为热能消耗掉，从而起到减振的效果。

具体地，所述上层板801和下层板806一般选用损耗因子较小的金属材料，如锰铜合金。

金属薄板804一般选用损耗因子较小的金属材料，如锰铜合金

本实施例涉及的安装底座，还包括金属衬片805，金属衬片805置于阻尼弹性中间层四周，然后通过螺钉将上层板801、金属衬片805和下层板806从上往下固定在延迟线安装平台8上，进而将阻尼弹性中间层加紧固定。金属衬片805作为阻尼减振结构的骨架，可以在不影响整个结构减振效果前提，增加结构的强度与稳定性，保证延迟线的稳定工作。

进一步地，上层板801、下层板806、粘弹性阻尼材料层803与金属薄板804的厚度需要根据延迟线质量、工作频率以及外界工作环境来对应设计，中间层的厚度通常介于上层板801厚度的1/50～1/5，而上层板801、阻尼弹性中间层和下层板806的总层数为3层或5层，其相互之间采用阻尼粘性胶粘接，一般胶层厚度不超过0.1mm。

具体地，粘弹性阻尼材料层803选用人造橡胶，厚度为0.1mm；上层板801与下层板806选用锰铜合金，厚度为3mm，各层之间通过阻尼粘性胶粘接在一起。

本实施例涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线工作过程：

1、入射激光通过光纤环形器0的port1口进入系统，经由port2口进入光纤准直器1，经过光纤准直器1准直光束后耦合进延迟线自由光路部分，在自由光路中经过双面反射棱镜2、中空反射镜3多次反射后，最终又回到光线准直器1，经由光纤环形器0的port2口进入port3口，完成出射。

2、音圈电机动子5带动镜架4、中空反射镜3、滑块11、直线光栅编码尺9同步直线往复运动，其每移动ΔL，则延迟线光程变化4ΔL，从而实现4倍于音圈电机运动行程的延迟范围，在有限条件下有利于实现长延迟范围。

3、由于光栅编码尺9跟随中空反射镜3同步运动，光栅读数头10可以实时读取光栅编码尺的位置信息，也即中空反射镜3(或者说音圈电机动子5)的实时位置，读数头将该位置信息上传至音圈电机驱动器16，音圈电机的实时电流也上传至音圈电机驱动器，驱动器将实时位置信息、实时电流信息以及指令位置信息通过PID运算，实时调整给予音圈电机的电流大小，从而实现精准的位置控制，提高延迟线的延迟精度。

实施例2:

除以下内容，本实施例涉及的长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线均与实施例1中相同。

光栅读数头10固定在镜架4或滑块11一侧，在光栅读数头10一侧固定设置对应的直线光栅编码尺9，直线光栅编码尺9固定在安装底座上。滑块11运动带动光栅读数头10运动，其上的探针每经过一条直线光栅编码尺9上的莫尔条纹，就会产生一个电脉冲。莫尔条纹是按照光栅尺分辨率等间距排列的，这样通过对电脉冲计数，就可以得到电机平台运动部件的实时位置。

Claims (8)

1.一种长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，包括光纤准直器、双面反射棱镜和中空反射镜，所述双面反射棱镜包括两个呈135°夹角的第一反射面和第二反射面，第一反射面分别与光纤准直器光轴和中空反射镜光轴呈45°夹角，第二反射面与中空反射镜光轴垂直，在运动部的带动下，双面反射棱镜和中空反射镜相对运动，光纤准直器发出的入射光经过第一反射面反射到中空反射镜，在中空反射镜上经过多次反射后入射到第二反射面，第二反射面反射后再经原光路返回；

所述长延迟范围高扫描频率的电动光纤延迟线，还包括与光纤准直器连接的光纤环形器，光纤环形器为光纤耦合的光路方向控制器件，有三个端口：port1、port2和port3，光纤准直器尾纤通过FC/APC接口与光纤环形器的port2口连接，port1作为入射光输出端口，port3作为出射光输出端，内部光线传输方向为：port1→port2， port2→port3；

双面反射棱镜为五棱柱形棱镜，第一反射面和第二反射面之间的135°角度误差≤1′，双面反射棱镜材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃，中空反射镜为三个反射面两两垂直的反射镜，其特点是入射光和出射光始终保持平行，平行度误差取决于三个反射面垂直度误差，中空反射镜材质选用热膨胀系数较小的K8玻璃，对应地，镜架采用与K8玻璃热膨胀系数基本一致的金属材料TC4，第一反射面、第二反射面和中空反射镜表面均镀有对应使用波段的高反膜，发射率≥99%。

2.根据权利要求1所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，运动部包括镜架、音圈电机动子、音圈电机定子、音圈电机驱动器、滑块、导轨、直线光栅编码尺和光栅读数头，滑块上部与镜架固定连接，滑块与导轨滑动连接，中空反射镜固定在镜架前端，镜架后端连接音圈电机动子，音圈电机动子与音圈电机定子构成音圈电机，音圈电机与音圈电机驱动器连接，直线光栅编码尺固定在镜架或滑块一侧，在直线光栅编码尺一侧固定设置对应的光栅读数头，光栅读数头与音圈电机驱动器连接，或光栅读数头固定在镜架或滑块一侧，在光栅读数头一侧固定设置对应的直线光栅编码尺，直线光栅编码尺固定在安装底座上。

3.根据权利要求2所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，光栅读数头、导轨均固定安装在安装底座上，在安装底座上沿导轨长度方向固定侧板，作为光纤准直器提供装调与安装接口，在安装底座两端分别固定左侧板和右侧板，双面反射棱镜固定在左侧板上，中空反射镜固定在侧板上，音圈电机定子固定在右侧板上。

4.根据权利要求3所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，所述光纤准直器1为高斯光束准直器件，工作距离为，光斑直径≤0.8mm，通光口径4mm。

5.根据权利要求4所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，音圈电机运动行程22.5mm，对应300ps的延迟范围，12N的持续推力，对应扫描频率为10Hz。

6.根据权利要求5所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，安装底座包括从上向下依次设置的上层板、阻尼弹性中间层和下层板，阻尼弹性中间层由粘弹性阻尼材料层和金属薄板交替铺叠而成。

7.根据权利要求6所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于， 粘弹性阻尼材料层选用人造橡胶。

8.根据权利要求7所述的长延迟范围高扫描频率电动光纤延迟线，其特征在于，安装底座还包括金属衬片，金属衬片置于阻尼弹性中间层四周，然后通过螺钉将上层板、金属衬片和下层板从上往下固定在延迟线安装平台上，进而将阻尼弹性中间层加紧固定。