CN113419339A

CN113419339A - 光学延迟结构

Info

Publication number: CN113419339A
Application number: CN202110371428.7A
Authority: CN
Inventors: 胡晗; 齐静波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Guangdong Electronic Information Engineering Research Institute of UESTC
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Guangdong Electronic Information Engineering Research Institute of UESTC
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2041-04-07
Also published as: CN113419339B

Abstract

本申请公开了一种光学延迟结构，该光学延迟结构包括：转盘，所述转盘沿所述转盘的中心轴线旋转；光学部件，位于所述转盘的下表面，与所述转盘相连，所述光学部件呈环形；反射镜，位于所述光学部件的下方，所述反射镜的反射面与从所述光学部件射出的光线垂直；其中，所述光学部件的厚度随所述转盘的圆周方向进行变化，入射光线从所述转盘的上表面射向所述转盘，经过所述光学部件后从所述光学部件的出射面射向所述反射镜，同一入射位置的所述入射光线的光程随着所述光学部件厚度的变化而变化。通过采用沿圆周薄厚变化的光学部件，使转盘的旋转即可实现所需的延迟，进而实现超短光脉冲对待测脉冲波形的扫描和探测。

Description

光学延迟结构

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种光学延迟结构。

背景技术

目前，在光学探测领域，光学延迟线有着广泛的应用领域，如太赫兹时域光谱技术、超快时间分辨率光谱技术、光学相干层析成像技术以及光学泵浦探测技术等。

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，扫描时间也长达到几个小时，测量效率非常低，且整套系统的体积将非常庞大，占用大量空间，拆装调试也异常的复杂耗时，已逐步无法满足现在的需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光学延迟结构，其采用了沿圆周薄厚变化的光学部件，通过转盘的旋转即可实现所需的延迟，实现超短光脉冲对待测脉冲波形的扫描和探测，且体积小巧，占用空间少，可以实现高速采样，单次扫描耗时短，效率高，具有很强的实用性。

本发明提供一种光学延迟结构，其特征在于，包括：

转盘，所述转盘沿所述转盘的中心轴线旋转；

光学部件，位于所述转盘的下表面，与所述转盘相连，所述光学部件呈环形；

反射镜，位于所述光学部件的下方，所述反射镜的反射面与从所述光学部件射出的光线垂直；

其中，所述光学部件的厚度随所述转盘的圆周方向进行变化，入射光线从所述转盘的上表面射向所述转盘，经过所述光学部件后从所述光学部件的出射面射向所述反射镜，同一入射位置的所述入射光线的光程随着所述光学部件厚度的变化而变化。

优选地，所述转盘和所述光学部件均由均匀透明介质制成，所述转盘和所述光学部件的折射率相同或不同。

优选地，所述入射光线经过不同厚度的所述光学部件后的出射面互相平行。

优选地，所述光学部件的纵截面为梯形、三角形、四边形中的至少一种。

优选地，所述反射镜为倒锥形或平面中的一种。

优选地，所述光学部件包括多个光学子模块，多个光学子模块使所述光学部件的厚度在圆周方向呈周期性变化。

优选地，所述光学部件包括多个子模块，所述子模块沿顺时针方向其截面厚度逐步增厚，使所述光学部件的厚度在圆周方向包括多个相同的逐步增厚的周期性变化。

优选地，所述转盘旋转一周中所述光学部件的厚度周期变化至少2个周期。

优选地，所述转盘与电机相连，使所述转盘匀速转动，所述光学部件的重心位于所述转盘的轴线上，以减少旋转时的转动惯量。

本发明的实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的光学延迟结构采用了沿圆周薄厚变化的光学部件，通过转盘的旋转即可实现所需的延迟，实现超短光脉冲对待测脉冲波形的扫描和探测。本发明所提供的光学延迟结构不仅具有高精度，且体积小巧，占用空间少，可以实现高速采样，单次扫描耗时短，效率高，进一步地，该光学延迟结构相比于线形位移平台，更加的简单易用，可以很方便的进行铺设和调试，具有很强的实用性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了本发明实施例的光学延迟结构的原理示意图；

图2示出了本发明实施例的光学延迟结构的截面示意图；

图3示出了本发明实施例的光学延迟结构的转盘和光学部件的示意图；

图4示出了本发明实施例的信号延迟的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了本发明实施例的光学延迟结构的原理示意图；如图1所示，该光学延迟结构包括：转盘110,、光学部件120、反射镜130，其中，转盘110例如为折射率为n的均匀透明介质圆盘，转盘110可沿轴线O进行旋转，入射光线的入射点位置不变，转盘110的下表面设置有光学部件120，为了说明该光学延迟结构的原理，故在图1中采用实线描绘了光学部件120的在第一时刻入射光线所对应的第一截面121，图1中虚线为转盘110转动一定角度后第二时刻入射光线所对应的第二截面122，相应地，第一截面121对应的光路为实线绘制，第二截面122对应的光路为虚线绘制；为了便于计算和解释说明，图中以点线作为辅助线进行标识。

从图1中可见，转盘110转动一定角度后，光学部件120的厚度增加了ΔX，光在光学部件120中的光程发生了变化，光在光学部件120中多走了一段ΔX的距离，但从光学部件120射出后少走了一段ΔX’的距离。光学部件120的第二截面122中第二出射面1221与第一截面121中的第一出射面1211平行，使得光线在穿过光学部件120后的出射角度θ2不变，使得光线仍可垂直射向反射镜130，再由反射镜130按原光路射出。

根据辅助线的标识，入射光线与第一出射面1211间的入射角为θ1，同样地，其与第二出射面1221间的入射角也为θ1，第二截面122的三角形与第一截面121的三角形为相似三角形，第二出射面1221与转盘110的下表面的夹角为θ1，第二截面122的三角形与第一截面121中的三角形的底边的长度差为ΔL，由上述关系可知：

ΔX＝ΔL·tanθ1，n·sinθ1＝1·sinθ2，ΔX'＝ΔX·cos(θ2-θ1)

光速为c，则入射光线经过光程ΔX’的耗时t1＝ΔX'/c

入射光线经过光程ΔX的耗时t2＝ΔX/(c/n)

第二时刻与第一时刻相比，入射光线穿过转盘110，经过光学部件120照射在反射镜130上的时间延迟Δt＝t2-t1

以下示例中给定部分参数进行计算，若ΔL＝1mm，θ1＝10°，n＝1.5则可计算出θ2≈15°，ΔX≈0.176mm，ΔX’≈0.175mm

t1＝ΔX'/c＝0.58ps，t2＝ΔX/(c/n)＝0.88ps，Δt＝t2-t1＝0.3ps。

由于反射镜130可使光线沿原路返回(转盘的转速远小于光速，故认为光经过反射镜130反射后的光线仍沿原光路返回)，所以第二时刻相比于第一时刻，光线从入射至返回所消耗的时间的延迟ΔT＝2Δt。

利用高速旋转的转盘110，在第一时刻和第二时刻两个光脉冲垂直射向转盘110的入射点，第二时刻的光学部件120相比与第一时刻的光学部件120厚度增加了ΔX，从而使第一时刻的光脉冲和第二时刻的光脉冲之间产生时间延迟，通过沿圆周设置的高低起伏(厚度连续变化)的光学部件120，可以连续不断的重复产生该延迟，进一步地，利用该时间延迟可实现高速光学调制的功能。

图2和图3分别示出了本发明实施例的光学延迟结构的截面图和立体示意图；从图中可以看出，该光学部件120与转盘110的下表面相连，光学部件120呈环形，且光学部件120的厚度沿圆周方向呈周期变化，包括多个相同的逐步增大的循环，其截面例如为梯形。反射镜130为片状呈倒锥形，反射镜130的上表面具有反射面可反射光线，其反射面与竖直方向的夹角为α，该夹角α使得光线射入转盘110经过光学部件120射出后，其光线垂直于反射镜130的反射面，反射镜130可将光线沿原路反射而回。进一步地，参见图3可知该光学部件120由多个子模块1201组成，其中子模块1201沿顺时针方向其截面厚度逐步增厚，进一步地，相邻的子模块1201首尾相接，排满整个圆周形成环形的光学部件120。当然地，上述仅为示例，也可将圆周划分为更多的扇形区域设置对应的子模块，使转盘110旋转一周具有更多的变化周期，提高精度，进一步地，还可在转盘110上设置配重，使得转盘110与光学部件120的组合体在圆周的重量分布平衡，在转盘110高速旋转时保证转动的平稳。

图4示出了本发明实施例的信号延迟的示意图，在连续的激光脉冲作为入射光线射入，转盘110旋转，光学部件120的厚度连续变换，若给定一个固定时间延迟的触发信号，相邻的前后两道激光脉冲通过的光学部件120的厚度是不同的，激光脉冲可从薄至厚，测得一组数据，当转到最厚处时又紧接着下一个周期，每次在一个周期内取若干采样点(如图所示采用了5个采样点)，由固定延迟的触发信号就可以获取采样波形的不同点并最终获得整个波形。

与现有的线性位移平台相比，本发明实施例的光学延迟结构不仅占用空间更少，体积更小，而且可实现高速采样，单次扫描时间短，效率更高，便携性和易用性都有显著改善。

依照本发明的实施例如上文所述，图示中为突出本发明技术方案的细节，各部件比例并非按照真实比例绘制，其附图中所示的比例及尺寸并不应限制本发明的实质技术方案，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种光学延迟结构，其特征在于，包括：

转盘，所述转盘沿所述转盘的中心轴线旋转；

2.根据权利要求1所述的光学延迟结构，其特征在于，所述转盘和所述光学部件均由均匀透明介质制成，所述转盘和所述光学部件的折射率相同或不同。

3.根据权利要求1所述的光学延迟结构，其特征在于，所述入射光线经过不同厚度的所述光学部件后的出射面互相平行。

4.根据权利要求1所述的光学延迟结构，其特征在于，所述光学部件的纵截面为梯形、三角形、四边形中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的光学延迟结构，其特征在于，所述反射镜为倒锥形或平面中的一种。

6.根据权利要求1所述光学延迟结构，其特征在于，所述光学部件包括多个光学子模块，多个光学子模块使所述光学部件的厚度在圆周方向呈周期性变化。

7.根据权利要求6所述的光学延迟结构，其特征在于，所述光学部件包括多个子模块，所述子模块沿顺时针方向其截面厚度逐步增厚，使所述光学部件的厚度在圆周方向包括多个相同的逐步增厚的周期性变化。

8.根据权利要求6所述的光学延迟结构，其特征在于，所述转盘旋转一周中所述光学部件的厚度周期变化至少2个周期。

9.根据权利要求1所述的光学延迟结构，其特征在于，所述转盘与电机相连，使所述转盘匀速转动，所述光学部件的重心位于所述转盘的轴线上，以减少旋转时的转动惯量。