一種大行程高掃描頻率光纖延遲線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，包括：相互對(duì)立設(shè)置的移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊，所述移動(dòng)反射模塊通過(guò)連接件與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接到計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；所述移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊均包括若干個(gè)均勻排布的中空鋁制角錐反射鏡，所述固定反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡的數(shù)量比移動(dòng)反射模塊上多一個(gè)；本發(fā)明利用角錐反射鏡的逆向反射特性，可使反射光和入射光嚴(yán)格平行，從而減小掃描過(guò)程抖動(dòng)對(duì)光纖耦合的影響，降低系統(tǒng)插入損耗，利用N塊角錐反射鏡和N?1塊角錐反射鏡相對(duì)放置，在兩個(gè)反射模塊中形成多次反射來(lái)實(shí)現(xiàn)光程延遲，相比單角錐反射鏡情況，可在電機(jī)行程不變的情況下將延遲范圍提高N倍。
【專利說(shuō)明】
一種大行程高掃描頻率光纖延遲線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大行程高掃描頻率光纖延遲線。本發(fā)明適用于絕大部分全光纖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中時(shí)域波形快速采集的場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲時(shí)域光譜(S卩THz-TDS)技術(shù)能夠同時(shí)探測(cè)THz脈沖的振幅和相位信息，在生物學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查、無(wú)損檢測(cè)、軍事以及物理和化學(xué)等許多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，已迅速發(fā)展成為一個(gè)令人關(guān)注的新興研究方向。在THz-TDS技術(shù)中，時(shí)域THz脈沖波形是通過(guò)飛秒探針光對(duì)多個(gè)THz脈沖的不同延遲部位的掃描探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最后得到的THz脈沖波形實(shí)際上是由多個(gè)不同的THz脈沖的不同部位“拼湊”而成。為實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)，需要不斷改變飛秒探針光和THz脈沖的相對(duì)時(shí)延，而光學(xué)延遲線正是實(shí)現(xiàn)這一功能的核心。
[0003]由于THz時(shí)域掃描長(zhǎng)度與光譜檢測(cè)分辨率成反比，為實(shí)現(xiàn)小光譜分辨率的快速THz時(shí)域光譜檢測(cè)，要求光學(xué)延遲線具有大的延遲范圍和高的掃描頻率。目前可實(shí)現(xiàn)快速光學(xué)延遲的技術(shù)主要包括振蕩光學(xué)延遲、旋轉(zhuǎn)光學(xué)延遲和光纖拉伸延遲等幾種。傳統(tǒng)的振蕩光學(xué)延遲線難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大延遲范圍和高掃描頻率(<150 psi20 Hz);旋轉(zhuǎn)光學(xué)延遲線可實(shí)現(xiàn)較大延遲范圍和較高掃描頻率(彡I nsi^lOO Hz)，但延遲范圍不可調(diào)，且與光纖耦合較為困難;光纖拉伸延遲線可實(shí)現(xiàn)很高掃描頻率但延遲范圍很小(彡20 psi^l kHz)。
[0004]從以上分析可知，現(xiàn)有技術(shù)均難以同時(shí)滿足大延遲范圍和高掃描頻率光纖延遲(多200 psi^40 Hz)的需要，開展相關(guān)器件的研制工作對(duì)于全光纖THz時(shí)域光譜系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)檢測(cè)方向發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的為提供一種用于全光纖THz-TDS系統(tǒng)中時(shí)域波形快速采集的大行程、高掃描頻率光纖延遲線，可以多40 Hz的頻率實(shí)現(xiàn)多20多O ps延遲范圍的重復(fù)掃描。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，包括:相互對(duì)立設(shè)置的移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊，所述移動(dòng)反射模塊通過(guò)連接件與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接到計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；
所述移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊均包括若干個(gè)均勻排布的中空鋁制角錐反射鏡，所述固定反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡的數(shù)量比移動(dòng)反射模塊上多一個(gè)；
所述固定反射模塊的一側(cè)設(shè)置有發(fā)射光纖準(zhǔn)直器和接收光纖準(zhǔn)直器，所述發(fā)射光纖準(zhǔn)直器發(fā)射的光依次在移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡、固定反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡多次反射后，從移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡上反射到接收光纖準(zhǔn)直器。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述中空鋁制角錐反射鏡包括鋁制基層和設(shè)置在基層上的玻璃層。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述鋁制基層的表面光潔度不大于1.6微米。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述玻璃層的外表面上設(shè)置一層高反射金屬膜。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述高反射金屬膜為金膜或銀膜。
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制反射鏡和固定反射模塊上的中空鋁制反射鏡依次交叉對(duì)立設(shè)置。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制反射鏡和固定反射模塊上的中空鋁制反射鏡之間所有的入射光和反射光平行。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為具有直接驅(qū)動(dòng)、高加速度和無(wú)滯后響應(yīng)特性的音圈電機(jī)。
[0014]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明利用角錐反射鏡實(shí)現(xiàn)激光束的反射，其優(yōu)點(diǎn)在于利用角錐反射鏡的逆向反射特性，可使反射光和入射光嚴(yán)格平行，從而減小掃描過(guò)程抖動(dòng)對(duì)光纖耦合的影響，降低系統(tǒng)插入損耗；
利用硬鋁材料制作中空角錐反射鏡，在鋁表面采用精機(jī)械加工達(dá)到<1.6微米的表面光潔度，再在其上粘貼鍍高反射金屬膜(金膜或銀膜)的薄玻璃片作為反射面，其優(yōu)點(diǎn)在于利用鋁制角錐反射鏡的中空特性，相比傳統(tǒng)基于玻璃制作的實(shí)心角錐反射棱鏡，消除了對(duì)飛秒激光的色散展寬、減少了面型加工誤差帶來(lái)的偏角誤差、減少了玻璃表面反射損耗和內(nèi)部吸收，并減少了反射模塊質(zhì)量，降低了電機(jī)負(fù)載；
利用一個(gè)包含N塊角錐反射鏡的移動(dòng)反射模塊和一個(gè)包含N-1塊角錐反射鏡的固定反射模塊相對(duì)放置，在兩個(gè)反射模塊中形成多次反射來(lái)實(shí)現(xiàn)光程延遲，其優(yōu)點(diǎn)在于利用光束的多次反射，相比單角錐反射鏡情況，可在電機(jī)行程不變的情況下將延遲范圍提高N倍；利用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)反射模塊做直線往復(fù)移動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)光程延遲的重復(fù)掃描，其優(yōu)點(diǎn)在于利用音圈電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)、高加速度和無(wú)滯后響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)高頻率延遲掃描。
[0015]利用聚焦型大口徑光纖準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)飛秒激光束的準(zhǔn)直和耦合，其優(yōu)點(diǎn)在于可獲得大光束準(zhǔn)直距離，增加光纖耦合度、減小插入損耗。
[0016]
【附圖說(shuō)明】
[0017]本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是包含3個(gè)鋁制中空角錐反射鏡的反射模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:I是計(jì)算機(jī)；2是數(shù)據(jù)采集卡;3是驅(qū)動(dòng)器;4是音圈電機(jī);5為連接器;6是移動(dòng)反射模塊;7是固定反射模塊；8是接收光纖準(zhǔn)直器；11是發(fā)射光線準(zhǔn)直器；9、12為光纖尾纖；
10、13為光纖連接器;14為系統(tǒng)外殼，；15是反射模塊基底，16是中空角錐反射鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明中的:
音圈電機(jī)，是一個(gè)工作在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式下的圓柱音圈電機(jī)，它的最大行程超過(guò)10mm，峰值加速度大于316 m/s2，電機(jī)中內(nèi)置高精度光柵位置編碼器，可實(shí)現(xiàn)精度小于等于0.15微米的位置信息讀取。
[0019]連接器是一個(gè)機(jī)械連接元件，用以實(shí)現(xiàn)音圈電機(jī)和移動(dòng)反射模塊的定位和連接。
[0020]本發(fā)明中的音圈電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)相連，并通過(guò)計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的伺服控制。音圈電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)屏蔽電纜連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)供電和數(shù)據(jù)交互。驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)屏蔽電纜連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
[0021]在音圈電機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置由內(nèi)置直線光柵編碼器進(jìn)行采集，編碼器輸出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器由高速DAQ數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣，并輸入計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行的位置-時(shí)間曲線的實(shí)時(shí)精確描繪。
[0022]所說(shuō)的移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊是兩個(gè)分別包含N個(gè)中空鋁制角錐反射鏡和N-1個(gè)中空鋁制角錐反射鏡的光學(xué)元件，用以控制光纖準(zhǔn)直器出射光束的傳輸方向，實(shí)現(xiàn)多次反射并利用角錐反射鏡的逆向反射特性保證反射光束準(zhǔn)確耦合進(jìn)接收光纖準(zhǔn)直器中，所說(shuō)的光纖準(zhǔn)直器利用組合透鏡實(shí)現(xiàn)與光纖尾纖的耦合和連接。
[0023]光纖尾纖是兩根工作在1550nm波長(zhǎng)的單模光纖或保偏光纖，長(zhǎng)度小于等于0.5m，用以通過(guò)光纖連接器實(shí)現(xiàn)和外部光纖的連接，所說(shuō)的光纖連接器是兩個(gè)活動(dòng)光纖連接器，它們的一端與光纖尾纖采用熔融方式進(jìn)行連接。
[0024]系統(tǒng)工作方式如下:
如圖1所示，外部輸入的1550 nm波長(zhǎng)飛秒激光信號(hào)通過(guò)光纖連接器10、光纖尾纖9以及光纖準(zhǔn)直器8耦合入系統(tǒng)，并發(fā)射到自由空間中形成一個(gè)匯聚光束，匯聚光斑最小位置到發(fā)射光纖準(zhǔn)直器距離為L(zhǎng)O+N X ALmax(其中LO為沿光束方向從發(fā)射光纖準(zhǔn)直器到接收光纖準(zhǔn)直器端面的最小距離，ALmax為移動(dòng)反射模塊最大距離改變量，N為移動(dòng)反射模塊包含的角錐反射鏡個(gè)數(shù))，該光束首先入射到移動(dòng)反射模塊的第一塊角錐反射鏡上，再反射到固定反射模塊第一塊角錐反射鏡上，然后反射光束再入射到移動(dòng)反射模塊的第二塊角錐反射鏡上，反射光束再入射到固定反射模塊第二塊角錐反射鏡上，以此類推，最后激光束通過(guò)移動(dòng)反射模塊的第N塊角錐反射鏡反射，并通過(guò)接收光纖準(zhǔn)直器11、光纖尾纖12和光纖連接器13耦合入外部光路中。當(dāng)入射激光束在兩個(gè)反射模塊之間反射時(shí)，音圈電機(jī)通過(guò)連接器驅(qū)動(dòng)移動(dòng)反射模塊做直線往復(fù)移動(dòng)，導(dǎo)致光程快速周期性改變，由于激光束多次反射，因此當(dāng)移動(dòng)反射模塊改變距離AL時(shí)，整個(gè)光程改變量為NX 2AL，以此實(shí)現(xiàn)大延遲范圍、高掃描頻率的光程延遲。
[0025]如圖2所示，為本發(fā)明的包含3個(gè)鋁制中空角錐反射鏡的反射模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]所說(shuō)的反射模塊基底為鋁制機(jī)械件，作用有兩個(gè)，一是為角錐反射鏡反射面提供基底，二是通過(guò)圖1中連接器實(shí)現(xiàn)和圖1中音圈電機(jī)的連接。
[0027]所說(shuō)的中空角錐反射鏡為在打磨光滑的鋁制基底(S1.6微米的表面光潔度)上粘貼鍍高反射金屬膜(金膜或銀膜)的薄玻璃片形成的角錐反射鏡，每個(gè)角錐反射鏡包含3個(gè)正交的反射面，入射光依次經(jīng)這3個(gè)表面反射后出射，形成與入射光嚴(yán)格平行的反射光。
[0028]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于包括:相互對(duì)立設(shè)置的移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊，所述移動(dòng)反射模塊通過(guò)連接件與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接到計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制； 所述移動(dòng)反射模塊和固定反射模塊均包括若干個(gè)均勻排布的中空鋁制角錐反射鏡，所述固定反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡的數(shù)量比移動(dòng)反射模塊上多一個(gè)； 所述固定反射模塊的一側(cè)設(shè)置有發(fā)射光纖準(zhǔn)直器和接收光纖準(zhǔn)直器，所述發(fā)射光纖準(zhǔn)直器發(fā)射的光依次在移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡、固定反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡多次反射后，從移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡上反射到接收光纖準(zhǔn)直器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述中空鋁制角錐反射鏡包括鋁制基層和設(shè)置在基層上的玻璃層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述鋁制基層的表面光潔度不大于1.6微米。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述玻璃層的外表面上設(shè)置一層高反射金屬膜。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述高反射金屬膜為金膜或銀膜。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制反射鏡和固定反射模塊上的中空鋁制反射鏡依次交叉對(duì)立設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述移動(dòng)反射模塊上的中空鋁制反射鏡和固定反射模塊上的中空鋁制反射鏡之間所有的入射光和反射光平行。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為具有直接驅(qū)動(dòng)、高加速度和無(wú)滯后響應(yīng)特性的音圈電機(jī)。
【文檔編號(hào)】G02B26/10GK105891958SQ201610415895
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】劉喬, 黃華川, 朱禮國(guó), 李江, 蒙建華, 翟朝輝, 鐘森城, 周平偉, 杜良輝, 王德田, 鄒逸, 彭其先, 李澤仁, 趙劍衡
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所