CN212965625U - 一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，包括镜座、步进电机平台、步进电机、电机丝杠和电机平台运动部件，平行于步进电机平台的电机丝杠一端连接步进电机输出端，另一端与电机平台运动部件螺纹连接后固定，电机平台运动部件底部与步进电机平台滑动连接，镜座底部固定在电机平台运动部件上，在步进电机的驱动下电机丝杠转动，进而通过电机平台运动部件带动镜座移动，改变光学部件之间的光程。其通过增加电机伺服控制、光学器件热匹配设计、对外安装接口柔性设计等手段，大大增加了延迟器的延迟精度与环境适应性。

Description

一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器

技术领域：

本实用新型涉及太赫兹波技术领域，尤其涉及一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器。

背景技术：

光学延迟器是一种能够改变光程的装置，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。

在典型的基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统中，采用光电导采样方法对太赫兹时域信号进行采集。光电导取样是基于光导天线(photoconductive antenna，PCA)发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测，首先需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲(探测脉冲)对其门控，其中这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系；然后用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对(自由载流子)，而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在PCA中形成光电流；最后，用一个与PCA相连的采集电路对这个电流进行进行采集与处理。其中，PCA中形成的光电流与THz瞬时电场是成正比的。而探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间延迟则是通过光学延迟器来实现的。

光学延迟器装置通过步进电机(或手动调节)带动微位移平台上的反射镜进行单向移动，改变光程，从而实现光学延迟，由于微位移技术具有较高的可靠性且成本较低，这种方法被广泛地使用。延迟范围、延迟精度、插入损耗是光学延迟器的重要指标参数。其中，延迟精度反映的是延迟器所能给出的最小延迟分辨率(包括不确定度)，延迟精度对于采集到的太赫兹时域脉冲信号的准确性及信噪比至关重要，主要受电机平台性能及控制系统制约。

目前市场上存在的电动可调光线延迟器主要存在以下问题：

1)延迟精度差，特别是在太赫兹精细时域光谱的采集应用中，不能够保证太赫兹光谱的准确性与重复性；

2)环境适应性差，当受到温度、振动、安装面不平度等影响时，内部关键器件容易发生变形，导致延迟器延迟精度、插入损耗等指标变差，影响正常的使用。

实用新型内容：

本实用新型目的在于寻求了一种高精度高可靠性的电动可调光纤延迟器，解决目前电动可调光纤延迟器延迟精度差、环境适应性差等问题，通过增加电机伺服控制、光学器件热匹配设计、对外安装接口柔性设计等手段，大大增加了延迟器的延迟精度与环境适应性。

为了实现上述目的，本实施例涉及的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，包括镜座、步进电机平台、步进电机、电机丝杠和电机平台运动部件，平行于步进电机平台的电机丝杠一端连接步进电机输出端，另一端与电机平台运动部件螺纹连接后固定，电机平台运动部件底部与步进电机平台滑动连接，镜座底部固定在电机平台运动部件上，在步进电机的驱动下电机丝杠转动，进而通过电机平台运动部件带动镜座移动，改变光学部件之间的光程。

本实施例涉及的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，还包括直线光栅编码尺、光栅读数头、光栅读数头探针、电机驱动器和上位机，光栅读数头固定在电机平台运动部件一侧，在光栅读数头上固定光栅读数头探针，直线光栅编码尺沿电机平台运动部件运动方向固定在其一侧，光栅读数头探针识别直线光栅编码尺上的莫尔条纹，将识别信号发送给电机驱动器，光栅读数头探针、步进电机均与电机驱动器连接，电机驱动器与上位机连接，电机驱动器将识别信号解析处理得到电机平台运动部件的实际位置发送给上位机。

所述光学部件为入射光纤准直器、出射光纤准直器和角锥反射镜，角锥反射镜固定在镜座的孔洞内，入射光纤准直器与出射光纤准直器固定在角锥反射镜前侧，光束通过入射光纤准直器照射在角锥反射镜的反射面，若干次反射后平行于入射光出射，被出射光纤准直器所接收。

具体地，所述光栅读数头其一端与电机平台运动部件连接，光栅读数头固定在其自由端，若光栅读数头为L形，直线光栅编码尺竖直固定在步进电机平台的左侧或右侧，与光栅读数头相对应，若光栅读数头为直线形，直线光栅编码尺水平固定在步进电机平台的左侧或右侧，与光栅读数头相对应。

本实用新型涉及的高精度高可靠性的电动可调光纤延迟器，还包括壳体，入射光纤准直器、出射光纤准直器、角锥反射镜、镜座、直线光栅编码尺、电机平台底座、光栅读数头、步进电机、电机丝杠、电机平台运动部件、侧板16和光栅读数头探针均置于壳体内，壳体上每个螺钉安装接口处均采用柔性设计，每个安装接口由凸台11和柔性凹槽构成，凸台一般要高于壳体表面1～2mm，同一个平面所有安装接口的凸台共面，柔性槽的宽度和高度为外壳厚度的1/2～1/3。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：(1)在步进电机平台与驱动器之间引入直线光栅编码尺与光栅读数头共同组成的位移反馈系统，实现对电机平台的闭环控制，一般的直线光栅编码尺分辨率可以达到亚微米级别，这样延迟器延迟精度可以达到亚飞秒级别，与目前通用的延迟器相比有了很大提升；(2)角锥反射镜与镜座采用热匹配设计，选用热膨胀系数相近的材料(如K9玻璃与钛合金TC4的组合、微晶玻璃与殷钢的组合)，这样可大大降低因环境温度变化造成的角锥反射镜面型的变化，增加延迟器的环境适应性；(3)延迟器外壳上的对外安装接口采用柔性设计，可以有效隔离外界温度、振动变形以及安装面不平度对于延迟器内部关键器件影响，提升了延迟器的环境适应性；(4)通过电机丝杠将转动运动转换为直线运动，进而带动镜座移动，改变光程。

附图说明：

图1为实施例1涉及的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器结构原理示意图。

图2为实施例1涉及的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器装配关系结构示意图。

图3为实施例1中涉及的电动可调光纤延迟器壳体上的柔性设计安装接口图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，本实施例涉及的一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，包括入射光纤准直器1、出射光纤准直器2、角锥反射镜3、镜座4、直线光栅编码尺5、步进电机平台6、光栅读数头7、电机驱动器9、上位机10、步进电机13、电机丝杠14、电机平台运动部件15、侧板16和光栅读数头探针18。

角锥反射镜3通过光学环氧胶粘接在镜座4的孔洞内，入射光纤准直器1与出射光纤准直器2固定在角锥反射镜3前侧，具体地，入射光纤准直器1与出射光纤准直器2通过灌封胶固定在延迟器外壳8上，光束通过入射光纤准直器1照射在角锥反射镜3的反射面，多次反射后平行于入射光出射，被出射光纤准直器2所接收。

步进电机13背离侧板16固定在步进电机平台6另一侧，平行于步进电机平台6的电机丝杠14一端连接步进电机13输出端，另一端与电机平台运动部件15螺纹连接后固定，具体固定在侧板16上，电机平台运动部件15底部与步进电机平台6上表面轨道滑动连接，镜座4底部固定在电机平台运动部件15上，在步进电机13的驱动下电机丝杠14转动，进而通过电机平台运动部件15带动镜座4移动，改变光学部件之间的光程。

光栅读数头7固定在电机平台运动部件15一侧，在光栅读数头7上固定光栅读数头探针18，直线光栅编码尺5沿电机平台运动部件15运动方向固定在其一侧，光栅读数头探针18识别直线光栅编码尺5上的莫尔条纹17，将识别信号发送给电机驱动器9，光栅读数头探针18、步进电机13均与电机驱动器9连接，电机驱动器9与上位机10连接，电机驱动器9将识别信号解析处理得到电机平台运动部件15的实际位置发送给上位机10。

具体地，所述光栅读数头其一端与电机平台运动部件15连接，光栅读数头7固定在其自由端，若光栅读数头7为L形，直线光栅编码尺5竖直固定在步进电机平台6的左侧或右侧，与光栅读数头7相对应，若光栅读数头7为直线形，直线光栅编码尺5水平固定在步进电机平台6的左侧或右侧，与光栅读数头7相对应。

如图3所示，本实施例涉及的一种高精度高可靠性的电动可调光纤延迟器，还包括壳体8，入射光纤准直器1、出射光纤准直器2、角锥反射镜3、镜座4、直线光栅编码尺5、电机平台底座6、光栅读数头7、步进电机13、电机丝杠14、电机平台运动部件15、侧板16和光栅读数头探针18均置于壳体内，壳体8上每个螺钉安装接口处均采用柔性设计，每个安装接口由凸台11和柔性凹槽12构成，凸台11一般要高于壳体表面1～2mm，同一个平面所有安装接口的凸台共面，柔性槽12的宽度和高度为外壳厚度的1/2～1/3，本例中柔性槽宽度和厚度为2.5mm。该柔性设计可以有效隔离外界温度、振动变形以及安装面不平度对于延迟器内部关键器件影响，提升了延迟器的环境适应性。

本实施例涉及的一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器使用过程为：

(1)入射激光首先进入入射光纤准直器1，打到角锥反射镜3的反射面之上，通过角锥反射镜3上相互垂直的反射面的多次反射后，平行于入射光出射，被出射光纤准直器2所接收；

(2)上位机10发出的指令被电机驱动器9解析，发送给步进电机13，步进电机13带动电机平台运动部件15以步进ΔL在行程L范围，内沿轨道单向直线运动，进而带动角锥反射镜3同步运动，使得入射光纤准直器1与出射光纤准直器2之间的光程可以在2L/c范围内发生改变，达到光路延迟的目的，其中步进一小步光路的延迟量为2ΔL/c；

(3)在步进电机13带动电机平台运动部件15进行直线运动时，光栅读数头7跟随同步运动，其上的探针每经过一条光栅尺上的莫尔条纹，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。

(4)直线光栅编码尺5与光栅读数头7共同组成位移反馈系统，将电机平台运动部件15的实时位置反馈给电机驱动器9，电机驱动器9内置的伺服控制环根据反馈的位置信息调整对电机平台的控制指令，从而行程闭环控制，有效增加了电机平台的定位精度，即延迟器的延迟精度。

进一步地，角锥反射镜与镜座采用热匹配设计，选用热膨胀系数相近的材料，如角锥反射镜3采用K9玻璃，镜座4采用钛合金TC4，或角锥反射镜3采用微晶玻璃，镜座4采用殷钢。这样可大大降低因环境温度变化造成的角锥反射镜面型的变化，增加延迟线的环境适应性。

Claims (4)

1.一种高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，其特征在于，包括镜座、步进电机平台、步进电机、电机丝杠和电机平台运动部件，平行于步进电机平台的电机丝杠一端连接步进电机输出端，另一端与电机平台运动部件螺纹连接后固定，电机平台运动部件底部与步进电机平台滑动连接，镜座底部固定在电机平台运动部件上，在步进电机的驱动下电机丝杠转动，进而通过电机平台运动部件带动镜座移动，改变光学部件之间的光程。

2.根据权利要求1所述的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，其特征在于，还包括直线光栅编码尺、光栅读数头、光栅读数头探针、电机驱动器和上位机，光栅读数头固定在电机平台运动部件一侧，在光栅读数头上固定光栅读数头探针，直线光栅编码尺沿电机平台运动部件运动方向固定在其一侧，光栅读数头探针识别直线光栅编码尺上的莫尔条纹，将识别信号发送给电机驱动器，光栅读数头探针、步进电机均与电机驱动器连接，电机驱动器与上位机连接，电机驱动器将识别信号解析处理得到电机平台运动部件的实际位置发送给上位机。

3.根据权利要求2所述的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，其特征在于，所述光学部件为入射光纤准直器、出射光纤准直器和角锥反射镜，角锥反射镜固定在镜座的孔洞内，入射光纤准直器与出射光纤准直器固定在角锥反射镜前侧，光束通过入射光纤准直器照射在角锥反射镜的反射面，若干次反射后平行于入射光出射，被出射光纤准直器所接收。

4.根据权利要求3所述的高精度高可靠性电动可调光纤延迟器，其特征在于，所述光栅读数头其一端与电机平台运动部件连接，光栅读数头固定在其自由端，若光栅读数头为L形，直线光栅编码尺竖直固定在步进电机平台的左侧或右侧，与光栅读数头相对应，若光栅读数头为直线形，直线光栅编码尺水平固定在步进电机平台的左侧或右侧，与光栅读数头相对应。

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