CN114779456A - 基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，涉及石墨烯折射率传感系统、SPR传感系统、镜面反射系统等其他反射式光学系统。包括激光器、一维平移台、镀有金属反射膜的等腰直角棱镜和基于抛物面镜的紧凑型反射系统；等腰直角棱镜固定在一维平移台上，与一维平移台的运动保持一致；反射点位于抛物面的焦点，光可以原路返回，两次经过反射点，且反射点位置保持不变。通过一维平移台的线性运动，实现对入射角度的调整，降低了光学反射系统调整入射角度的困难。光线在透明固体介质中传播，减少了空气对光的扰动和环境温度变化的影响，系统更加稳定、实验结果更加准确。整个实验装置的结构简单、紧凑、易操作，更易于实现小型化、实用化和商用化。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯折射率传感系统、SPR传感系统和镜面反射系统等反射式光学系统，具体涉及一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置。
背景技术
反射式光学系统具有光谱范围宽、结构紧凑、分辨率高等优点，但普遍存在调整入射角度困难这一问题。实验者进行光学实验时，对整个光学系统装置的位置要求非常严格，一旦位置固定后，想要调整入射光的角度，必须要对其他的实验装置的位置进行相应的调整，调整过程繁琐，对实验者造成了不必要的麻烦。光学系统的最终性能除了受装置位置的误差因素影响外，也受系统稳定性的影响。对于测量精度要求高的实验，系统的高稳定性至关重要，空气扰动、环境温度变化等因素都会影响系统稳定性。因此反射式光学系统中调整入射角度的方法和系统稳定性都需改进。
发明内容
本发明目的是解决反射式光学系统中精准调整入射角度困难和提高系统稳定性的问题，提供一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置。
本发明首次提出了一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，利用抛物面的性质，在不改变其它实验装置的基础上，仅通过控制一维平移台的线性运动便可以精密地调整入射光角度，减少了大量的繁琐工作；整个反射过程发生在透明固体介质中，减少了环境对光的扰动，使光路的稳定性更高，实验结果更加准确。
本发明的技术方案
一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，装置包括激光器(1)，以及沿激光光路顺次设置的固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜(2)、第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)，第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)；所述第一抛物面型金属反射膜(4)和第二抛物面型金属反射膜(6)位于同一抛物面上。其中第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)、第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)共同构成了紧凑型反射系统，且填充物为透明固体介质(9)。
本发明中，入射点的光线角度可以精确调整，且反射点位置不变；将角度变化用线性平移长度代替，其他装置位置保持不变；整个反射过程发生在透明固体介质中，减少了环境对光的扰动，光路的稳定性更高。
所述固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜(2)沿光线的传播方向做线性运动，光线垂直于棱镜的一条直角边所在的面入射；第一金属反射膜(3)与光线入射方向以及第一抛物面型金属反射膜(4)的抛物面的主轴方向的夹角为45°，通过第一金属反射膜(3)反射的光线平行于抛物面的主轴入射到第一抛物面型金属反射膜(4)；反射点(5)与第一抛物面型金属反射膜(4)和第二抛物面型金属反射膜(6)所在的抛物面的焦点重合；第二抛物面型金属反射膜(6)与第一抛物面型金属反射膜(4)关于抛物面主轴对称；第二金属反射膜(7)垂直于抛物面的主轴。
所述紧凑型反射系统与等腰直角棱镜(2)之间填充折射率匹配液(9)。
本发明同时提供了入射角度调整方法：
激光器发射的探测光束垂直于等腰直角棱镜(2)的一条直角边所在的面入射，等腰直角棱镜由一个一维平移台控制，可以沿光的入射方向也就是抛物面型金属反射膜所在抛物面主轴方向线性运动，当平移台远离(图1中向上)或靠近(图1中向下)激光器运动时，光线由第一金属反射膜(3)反射，光线与第一金属反射膜(3)交点的水平移动距离与一维平移台的移动距离相等，然后到达第一抛物面型金属反射膜(4)，根据抛物面镜的性质，平行于主轴的光线经过抛物面反射后会经过其焦点，因此入射角度增大或减小。从反射点(5)反射的光经过第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)反射后，沿与原入射光线相同的传播路径返回再次经过反射点(5)，反射后的二次入射角同样增大或减小，而反射点的位置保持不变，实现原路返回。因此仅通过控制一维平移台的线性运动，便可以实现入射光角度的调整。
其中平移台移动距离与角度改变大小关系计算方法如下：
以抛物面的顶点为零点，抛物面的主轴方向也就是激光器发射的光束方向(即竖直方向)为x轴建立坐标系，远离激光器的方向(竖直向上)为x轴正方向，x轴正方向逆时针旋转90°为y轴正方向(水平向左)。假设抛物面焦距为a/2，方程为y2＝2ax，入射角为θ，有：
对上式两边取微分，有：
根据装置之间的几何关系可知，平移台移动距离和光线与第一金属反射膜交点的纵坐标变化是一致的，因此平移台的移动距离可以用Δy表示。当入射角度需要小范围调整，满足近轴条件时，角度变化Δθ与平移台移动距离Δy的关系可近似为：
其中y0为光线与第一金属反射膜交点的初始纵坐标，平移台向x轴正方向运动时相当于交点右移，入射角度增大。因此便可以通过控制一维平移台的移动改变入射角度大小。
根据抛物面的性质，光可以原路返回，反射点位置保持不变。且整个反射过程发生在透明固体介质中，减少了环境因素对光的干扰，实验装置更加稳定、实验结果更加准确。
本发明的优点和有益效果：
本发明首次提出了基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，利用反射式光学系统的优点，结合抛物面的性质，在不改变其它实验装置的基础上，仅通过控制一维平移台的线性运动便可以实现入射角度的精密调整，无需改变其它装置的位置，减少了大量的繁琐工作。而且整个反射过程设计在透明固体介质内，结构简单紧凑，探测光也不再受空气扰动和环境温度变化的影响，提高了测量精度和整个系统的稳定性，使实验结果更加准确。该技术的应用有助于反射式光学系统的小型化、实用化和商用化。
附图说明
图1基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置示意图。
图2基于石墨烯的全内反射式折射率传感装置图。
图3平移台移动距离与角度变化关系图。
其中，1-激光器；2-固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜；3-第一金属反射膜；4-第一抛物面型金属反射膜；5-反射点；6-第二抛物面型金属反射膜；7-第二金属反射膜；8-折射率匹配液；9-透明固体介质；10-1/2波片；11-石墨烯片；12-微流腔；13-分光棱镜；14-偏振分光棱镜；15-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
一、一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，装置如图(1)所示。装置包括激光器(1)，沿激光光路顺次设置的固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜(2)、第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)，经第一抛物面型金属反射膜反射的光入射到反射系统的反射点(5)(反射点与第一抛物面型金属反射膜(4)和第二抛物面型金属反射膜(6)所在的抛物面的焦点重合)，反射后到达第二抛物面型金属反射膜(6)，光线垂直入射到第二金属反射膜(7)后原路返回，反射点(5)保持不变。其中第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)、第二抛物面型金属反射膜(6)、和第二金属反射膜(7)共同构成了紧凑型反射系统，且填充物为透明固体介质(9)。等腰直角棱镜与反射系统之间的空隙填充折射率匹配液(8)。
所述固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜(2)沿光线的传播方向做线性运动，光线垂直于棱镜的一条直角边所在的面入射；第一金属反射膜(3)与光线入射方向以及第一抛物面型金属反射膜的抛物面的主轴方向的夹角为45°，通过第一金属反射膜(3)反射的光线平行于抛物面的主轴入射到第一抛物面型金属反射膜(4)；反射点(5)与抛物面的焦点重合；第二抛物面型金属反射膜(6)与第一抛物面型金属反射膜(4)关于抛物面主轴对称；第二金属反射膜(7)垂直于抛物面的主轴。
二、基于石墨烯的全内反射式折射率传感装置的入射角调节方法步骤如下：
步骤一、将上述基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置搭建到基于石墨烯的全内反射式折射率传感装置中，如图(2)所示。其中等腰直角棱镜(2)固定在一维平移台上；10为1/2波片，可以对光进行调制；11为十层石墨烯片；12为由PDMS制作而成的微流腔，可以通入待测溶液；13为50:50的分光棱镜(BS)；14为偏振分光棱镜(PBS)，可以将入射光线分为P光和S光并从不同的方向出射；15为光电探测器的两个接收端口，可以自动将两个接收端口作差分处理后输出差分信号。
步骤二、激光器(1)发出的光经过1/2波片(10)后垂直入射到等腰直角棱镜(2)，经直角棱镜和第一金属反射膜(3)反射后，平行于抛物面的主轴入射到第一抛物面型金属反射膜(4)，根据抛物面镜的性质，反射光会经过抛物面的焦点即反射点(5)，从反射点(5)反射的光经第二抛物面型金属反射膜(6)反射后平行于主轴射出，到达第二金属反射膜(7)后光原路返回，两次经过反射点且反射点的位置保持不变。这样通过控制一维平移台的上下移动，可以控制光路的移动，从而可以控制反射系统入射光的角度。原路返回的光在BS(13)处分光后再经PBS(14)偏振分光后进入光电探测器(15)，光电探测器的输出信号经过数据采集卡后由计算机接收。
步骤三、基于石墨烯的全内反射式折射率传感装置中，填充物的材质为BK7，折射率为1.517，采用CVD法制备10层石墨烯，采用PDMS注塑方法制作微流腔，被测液体材料通过导管连接微流泵注入到微流腔中。探测光线以略大于临界角入射到石墨烯界面。假设被测液体的折射率为1.33，则可以计算出临界角为
步骤四、移动一维平移台，根据一维平移台移动的距离，观察入射角度的变化。如图2所示，以抛物面的顶点为零点，激光器发射的光束方向(竖直方向)为x轴建立坐标系，抛物面的主轴方向也就是远离激光器的方向(竖直向上)为x轴正方向，x轴正方向逆时针旋转90°为y轴正方向(水平向左)。
装置抛物面镜的焦距为30mm，即a＝60，假设系统的初始角度为θ0，θ0＝61.5°，y0为光线与第一金属反射膜交点的初始纵坐标(见图2)，y0＝-35.7。光线与第一金属反射膜交点的纵坐标的变化与一维平移台移动的距离一致，都用Δy表示，则一维平移台移动的距离Δy与入射角度θ的关系：
图3所示为平移台移动距离与入射角度关系图，由图可知，在近轴条件下，一维平移台移动距离与角度变化成线性关系，一维平移台的移动精度为0.001mm，对于角度可以精准的控制。
Claims (10)
1.一种基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，包括激光器(1)，以及沿激光光路顺次设置的固定在一维平移台上的镀有金属反射膜的等腰直角棱镜(2)、第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)、第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)；所述第一抛物面型金属反射膜(4)和第二抛物面型金属反射膜(6)位于同一抛物面上。
2.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，所述第一金属反射膜(3)、第一抛物面型金属反射膜(4)、第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)共同构成了紧凑型反射系统，且填充物为透明固体介质(9)。
3.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，所述等腰直角棱镜(2)沿光线的传播方向做线性运动，光线垂直于棱镜的一条直角边所在的面入射。
4.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，第一金属反射膜(3)与光线入射方向以及第一抛物面型金属反射膜的抛物面的主轴方向的夹角为45°，通过第一金属反射膜(3)反射的光线平行于抛物面的主轴入射到第一抛物面型金属反射膜(4)。
5.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，反射点(5)与所述第一抛物面型金属反射膜(4)和第二抛物面型金属反射膜(6)所在的抛物面的焦点重合。
6.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，第二抛物面型金属反射膜(6)与第一抛物面型金属反射膜(4)关于抛物面主轴对称。
7.根据权利要求1所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，第二金属反射膜(7)垂直于抛物面主轴。
8.根据权利要求2所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置，其特征在于，所述紧凑型反射系统与等腰直角棱镜(3)之间填充折射率匹配液(9)。
9.采用权利要求1至8任一项所述的基于抛物面镜的紧凑型入射角调整装置进行入射角度的调整方法，其特征在于，方法如下：
(1)激光器发射的探测光束垂直于等腰直角棱镜(2)的一条直角边所在的面入射，等腰直角棱镜由一个一维平移台控制，沿光入射方向也就是抛物面型金属反射膜所在抛物面主轴方向线性运动，当平移台向远离或靠近激光器运动时，光线由第一金属反射膜(3)反射，光线与第一金属反射膜(3)交点的水平移动距离与一维平移台的移动距离相等；
(2)平行于主轴的光线经过第一抛物面型金属反射膜(4)的抛物面反射后，经过焦点即反射点(5)的入射角度增大或减小；
(3)从反射点(5)反射的光经过第二抛物面型金属反射膜(6)和第二金属反射膜(7)反射后，沿与原入射光线相同的传播路径返回再次经过反射点(5)，反射后的二次入射角同样增大或减小，反射点的位置保持不变，实现原路返回，实现入射光角度的调整。
10.根据权利要求9所述的入射角度的调整方法，其特征在于，所述平移台移动距离与入射角度改变大小关系计算方法如下：
以抛物面的顶点为零点，抛物面的主轴方向也就是激光器发射的光束方向为x轴建立坐标系，远离激光器的方向为x轴正方向，x轴正方向逆时针旋转90°为y轴正方向，假设抛物面焦距为a/2，方程为y2＝2ax，入射角为θ，有：
对上式两边取微分，有：
根据装置之间的几何关系可知，平移台移动距离和光线与第一金属反射膜交点的纵坐标变化是一致的，因此平移台的移动距离可以用Δy表示；当入射角度需要小范围调整，满足近轴条件时，角度变化Δθ与平移台移动距离Δy的关系近似为：
其中y0为光线与第一金属反射膜(3)交点的初始纵坐标，平移台向x轴正方向运动时，入射角度增大，因此通过控制一维平移台的移动能够改变入射角度大小。
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