CN113917676B - 一种飞秒时间分辨紫外光传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外光传输系统，具体涉及一种飞秒时间分辨紫外光传输系统。本发明的目的是解决现有紫外光传输系统无法实现飞秒时间分辨的技术问题，提供一种传输距离为L的飞秒时间分辨紫外光传输系统。该系统包括沿光路依次设置的第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜为基于二次曲线的环面反射镜；所述第一反射镜的环面形状由其二次曲面系数k和曲率半径R确定；所述第一反射镜的环轴与光源出射面的夹角为a；所述二次曲面系数k、曲率半径R和夹角a满足以下关系：‑1＜k＜0；R≥L/4；0°＜a＜90°；所述第二反射镜为平面反射镜；所述第二反射镜折转光束的焦点至接收器接收面上。

Description

一种飞秒时间分辨紫外光传输系统

技术领域

本发明涉及一种紫外光传输系统，具体涉及一种飞秒时间分辨紫外光传输系统。

背景技术

时间分辨技术是研究超快现象的重要技术手段之一，通过将紫外光传输系统置于真空腔和接收器之间，真空腔内设有紫外光源，由紫外光传输系统将真空腔内紫外光源发出的200nm至700nm波段、光斑尺寸为5mm、光束发散角为0.2rad的宽波段紫外光传输至真空腔外部1米以外的接收器处，从而探测出光源随时间的变化情况。

相对可见光而言，紫外光对光学系统要求的实现难度更大，所研究的宽波段紫外光波段范围延伸至可见光波段，在保证了紫外波段性能的基础上，可见光部分可以满足性能要求。

要实现对于紫外光的飞秒量级时间探测，要求紫外光传输系统在米级长的传输光路中、全孔径、全波段内的光线波差、全路径、全光斑尺寸的光程差小于0.05mm，这样才能满足使用要求。

但是，目前常用的透射式系统(即透射镜传输)和球面两镜系统均无法满足上述光程差小于0.05mm的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有紫外光传输系统存在无法实现在米级长的传输光路中、全孔径、全波段内的光线波差、全路径、全光斑尺寸的光程差小于0.05mm，致使紫外光传输系统无法实现飞秒时间分辨的技术问题，提供一种飞秒时间分辨紫外光传输系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种飞秒时间分辨紫外光传输系统，设置于光源与接收器之间，所述光源为位于真空腔内的、提供紫外宽波段光束的光源；所述接收器位于真空腔外部，定义接收器与真空腔的距离为L，且L≥1m；其特殊之处在于：

包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜与第二反射镜沿光路依次设置；

所述第一反射镜为基于二次曲线的环面反射镜，反射面位于环面内侧，为二次曲面非球面；

所述第一反射镜的环面形状由其二次曲面系数k和曲率半径R确定；

所述第一反射镜的环面光轴与光源出射面的夹角为a；

所述二次曲面系数k、曲率半径R和夹角a满足以下关系：

-1＜k＜0；

R≥L/4；

0°＜a＜90°；

所述第二反射镜为平面反射镜；

所述第二反射镜折转光束的焦点至接收器接收面上。

进一步地，-0.6≤k≤-0.4。

进一步地，35°≤a≤55°。

进一步地，所述第一反射镜的反射面为被光源发出光束投射到的部分。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的飞秒时间分辨紫外光传输系统，利用沿光路设置的基于二次曲线的环面反射镜和平面反射镜组成紫外光传输系统，其中对环面反射镜相应的二次曲面系数k、曲率半径R和环面反射镜的环面光轴与光源出射面的夹角a进行了参数优化设置，平面反射镜折转光路，使传输系统出射光线和入射光线的传输方向相同并将出射光线的焦点投射至接收器接收面上，使得该紫外光传输系统在米级长的传输光路中、全孔径、全波段内的光线波差、全路径、全光斑尺寸的光程差达到0.044mm，时间分辨误差优于(即低于)20fs，满足光程差小于0.05mm的要求，实现了紫外光传输系统的飞秒时间分辨。

2、环面反射镜二次曲面非球面的二次曲面系数k的数值范围优化到-0.6≤k≤-0.4，光源面和环轴(环面光轴)夹角a的取值范围优化为35°～55°，使其在满足L≥1m的要求的同时结构布局更为紧凑。

3、将环面反射镜的反射面局限到为被紫外光源发出光束投射到的部分，在满足反射要求的同时，有利于减少反射面加工工作量，节约成本。

附图说明

图1为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统光路图，其中虚线框内为本发明的紫外传输系统，具体包含第一反射镜和第二反射镜共两个反射镜；

图2为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统在200nm波长、上边缘视场的波前图；

图3为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统在700nm波长、下边缘视场的波前图；

图4为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统的不同视场不同波段的光线光程差图；

附图标记说明：

01-光源、011-光源出射面、02-接收器、021-接收器接收面、1-第一反射镜、11-环面光轴、2-第二反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

为了解决现有紫外光传输系统存在无法实现在米级长的传输光路中、全孔径、全波段内的光线波差、全路径、全光斑尺寸的光程差小于0.05mm，致使紫外光传输系统无法实现飞秒时间分辨的技术问题，本发明设计了一种基于二次曲线的环面反射镜(局部，即光束投射到的部分)光路传输系统以实现上述技术要求。

本发明的紫外光传输系统光路如图1所示，环面反射镜(即第一反射镜1)收集光源01发出的紫外宽波段光束，将光束折转并会聚传输，平面反射镜(即第二反射镜2)再次折转光路以使光束沿原方向传输至接收器接收面021处。

环面反射镜为基于二次曲线的环面反射镜，反射面位于环面内侧，为二次曲面非球面，其形状由其二次曲面系数k、曲率半径R(参数)确定，为保证光束的长距离传输及光程差约束，光源出射面011和环面反射镜环轴(环面光轴)11的夹角为a，当传输距离为L(定义接收器02与真空腔的距离为L，L≥1m)时，相关参数关系如下：

-1＜k＜0；

R≥L/4；

0°＜a＜90°；

其中，k的最佳取值范围为-0.4～-0.6，a的最佳取值范围为35°～55°。

图2为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统光路上边缘视场波长200nm的波前图，其峰谷值为218.2个波长，所产生的波面光程差为218.2*200nm，也即0.0436mm。

图3为下边缘视场波长700nm的波前图，其峰谷值为62.1个波长，所产生的波面光程差为62.14*700nm，也即0.0435mm。

图4为本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统不同视场不同波段光线光程差曲线图，图中给出了中心视场和上下左右四个边缘视场的各个波段的光程差曲线，图中纵坐标为波长数，横坐标分别为子午孔径和弧矢孔径。其最大光程差位于上下边缘视场位置，其中上边缘视场(OBJ：0.000,2.500mm)的200nm波长曲线即对应于图2。

紫外光传输系统为全反射系统，不同波长在同一视场点产生的光程差是相同的，图2及图3表示了系统产生最大光程差的上下边缘两个视场点位不同波长的波前图。

综上，本发明飞秒时间分辨紫外光传输系统最大光程差为0.044mm，时间分辨误差优于20fs，能够实现飞秒时间分辨。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种飞秒时间分辨紫外光传输系统，设置于光源(01)与接收器(02)之间，所述光源(01)为位于真空腔内的、提供紫外宽波段光束的光源；所述接收器(02)位于真空腔外部，定义接收器(02)与真空腔的距离为L，且L≥1m；其特征在于：

包括第一反射镜(1)和第二反射镜(2)；

所述第一反射镜(1)与第二反射镜(2)沿光路依次设置；

所述第一反射镜(1)为基于二次曲线的环面反射镜，反射面位于环面内侧，反射面绕第一反射镜(1)的环面光轴(11)旋转所形成的面为二次曲线环面；

所述第一反射镜(1)的环面形状由其二次曲面系数k和曲率半径R确定；

所述第一反射镜(1)的环面光轴(11)与光源出射面(011)的夹角为a；

所述二次曲面系数k、曲率半径R和夹角a满足以下关系：

-1＜k＜0；

R≥L/4；

0°＜a＜90°；

所述第二反射镜(2)为平面反射镜；

所述第二反射镜(2)折转光束的焦点至接收器接收面(021)上。

2.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨紫外光传输系统，其特征在于：-0.6≤k≤-0.4。

3.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨紫外光传输系统，其特征在于：35°≤a≤55°。

4.根据权利要求1或2或3所述的飞秒时间分辨紫外光传输系统，其特征在于：所述第一反射镜(1)的反射面为被光源(01)发出光束投射到的部分。

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