一種大行程高掃描頻率光纖延遲線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，包括：相互對立設置的移動反射模塊和固定反射模塊，所述移動反射模塊通過連接件與驅動電機連接，所述驅動電機通過驅動器連接到計算機，由上位機軟件進行運動控制；所述移動反射模塊和固定反射模塊均包括若干個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量比移動反射模塊上多一個；本發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格平行，從而減小掃描過程抖動對光纖耦合的影響，降低系統插入損耗，利用N塊角錐反射鏡和N?1塊角錐反射鏡相對放置，在兩個反射模塊中形成多次反射來實現光程延遲，相比單角錐反射鏡情況，可在電機行程不變的情況下將延遲范圍提高N倍。
【專利說明】
一種大行程高掃描頻率光纖延遲線
技術領域
[0001]本發明屬于太赫茲時域光譜技術領域，具體涉及一種大行程高掃描頻率光纖延遲線。本發明適用于絕大部分全光纖太赫茲時域光譜系統中時域波形快速采集的場合。
【背景技術】
[0002]太赫茲時域光譜(S卩THz-TDS)技術能夠同時探測THz脈沖的振幅和相位信息，在生物學、材料科學、醫學診斷、安全檢查、無損檢測、軍事以及物理和化學等許多領域展現出巨大的應用潛力，已迅速發展成為一個令人關注的新興研究方向。在THz-TDS技術中，時域THz脈沖波形是通過飛秒探針光對多個THz脈沖的不同延遲部位的掃描探測來實現的，最后得到的THz脈沖波形實際上是由多個不同的THz脈沖的不同部位“拼湊”而成。為實現掃描探測，需要不斷改變飛秒探針光和THz脈沖的相對時延，而光學延遲線正是實現這一功能的核心。
[0003]由于THz時域掃描長度與光譜檢測分辨率成反比，為實現小光譜分辨率的快速THz時域光譜檢測，要求光學延遲線具有大的延遲范圍和高的掃描頻率。目前可實現快速光學延遲的技術主要包括振蕩光學延遲、旋轉光學延遲和光纖拉伸延遲等幾種。傳統的振蕩光學延遲線難以同時實現大延遲范圍和高掃描頻率(<150 psi20 Hz);旋轉光學延遲線可實現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，且與光纖耦合較為困難;光纖拉伸延遲線可實現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，現有技術均難以同時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，開展相關器件的研制工作對于全光纖THz時域光譜系統向現場檢測和實時檢測方向發展具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的為提供一種用于全光纖THz-TDS系統中時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的頻率實現多20多O ps延遲范圍的重復掃描。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，包括:相互對立設置的移動反射模塊和固定反射模塊，所述移動反射模塊通過連接件與驅動電機連接，所述驅動電機通過驅動器連接到計算機，由上位機進行運動控制；
所述移動反射模塊和固定反射模塊均包括若干個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量比移動反射模塊上多一個；
所述固定反射模塊的一側設置有發射光纖準直器和接收光纖準直器，所述發射光纖準直器發射的光依次在移動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，從移動反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡上反射到接收光纖準直器。
[0007]在上述技術方案中，所述中空鋁制角錐反射鏡包括鋁制基層和設置在基層上的玻璃層。
[0008]在上述技術方案中，所述鋁制基層的表面光潔度不大于1.6微米。
[0009]在上述技術方案中，所述玻璃層的外表面上設置一層高反射金屬膜。
[0010]在上述技術方案中，所述高反射金屬膜為金膜或銀膜。
[0011]在上述技術方案中，所述移動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立設置。
[0012]在上述技術方案中，所述移動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]在上述技術方案中，所述驅動電機為具有直接驅動、高加速度和無滯后響應特性的音圈電機。
[0014]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
本發明利用角錐反射鏡實現激光束的反射，其優點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格平行，從而減小掃描過程抖動對光纖耦合的影響，降低系統插入損耗；
利用硬鋁材料制作中空角錐反射鏡，在鋁表面采用精機械加工達到<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，其優點在于利用鋁制角錐反射鏡的中空特性，相比傳統基于玻璃制作的實心角錐反射棱鏡，消除了對飛秒激光的色散展寬、減少了面型加工誤差帶來的偏角誤差、減少了玻璃表面反射損耗和內部吸收，并減少了反射模塊質量，降低了電機負載；
利用一個包含N塊角錐反射鏡的移動反射模塊和一個包含N-1塊角錐反射鏡的固定反射模塊相對放置，在兩個反射模塊中形成多次反射來實現光程延遲，其優點在于利用光束的多次反射，相比單角錐反射鏡情況，可在電機行程不變的情況下將延遲范圍提高N倍；利用音圈電機驅動移動反射模塊做直線往復移動，以此實現光程延遲的重復掃描，其優點在于利用音圈電機的直接驅動、高加速度和無滯后響應特性，可實現高頻率延遲掃描。
[0015]利用聚焦型大口徑光纖準直器實現飛秒激光束的準直和耦合，其優點在于可獲得大光束準直距離，增加光纖耦合度、減小插入損耗。
[0016]
【附圖說明】
[0017]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是包含3個鋁制中空角錐反射鏡的反射模塊結構示意圖；
其中:I是計算機；2是數據采集卡;3是驅動器;4是音圈電機;5為連接器;6是移動反射模塊;7是固定反射模塊；8是接收光纖準直器；11是發射光線準直器；9、12為光纖尾纖；
10、13為光纖連接器;14為系統外殼，；15是反射模塊基底，16是中空角錐反射鏡。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本發明中的:
音圈電機，是一個工作在直線往復運動方式下的圓柱音圈電機，它的最大行程超過10mm，峰值加速度大于316 m/s2，電機中內置高精度光柵位置編碼器，可實現精度小于等于0.15微米的位置信息讀取。
[0019]連接器是一個機械連接元件，用以實現音圈電機和移動反射模塊的定位和連接。
[0020]本發明中的音圈電機通過驅動器和計算機相連，并通過計算機中的上位機軟件實現電機運動的伺服控制。音圈電機與驅動器之間通過屏蔽電纜連接，實現電機供電和數據交互。驅動器與計算機之間通過屏蔽電纜連接，實現數據交互。
[0021]在音圈電機的高速運動過程中，其實時運動位置由內置直線光柵編碼器進行采集，編碼器輸出信號通過驅動器由高速DAQ數據采集卡進行采樣，并輸入計算機中的上位機軟件進行處理，以實現電機運行的位置-時間曲線的實時精確描繪。
[0022]所說的移動反射模塊和固定反射模塊是兩個分別包含N個中空鋁制角錐反射鏡和N-1個中空鋁制角錐反射鏡的光學元件，用以控制光纖準直器出射光束的傳輸方向，實現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確耦合進接收光纖準直器中，所說的光纖準直器利用組合透鏡實現與光纖尾纖的耦合和連接。
[0023]光纖尾纖是兩根工作在1550nm波長的單模光纖或保偏光纖，長度小于等于0.5m，用以通過光纖連接器實現和外部光纖的連接，所說的光纖連接器是兩個活動光纖連接器，它們的一端與光纖尾纖采用熔融方式進行連接。
[0024]系統工作方式如下:
如圖1所示，外部輸入的1550 nm波長飛秒激光信號通過光纖連接器10、光纖尾纖9以及光纖準直器8耦合入系統，并發射到自由空間中形成一個匯聚光束，匯聚光斑最小位置到發射光纖準直器距離為LO+N X ALmax(其中LO為沿光束方向從發射光纖準直器到接收光纖準直器端面的最小距離，ALmax為移動反射模塊最大距離改變量，N為移動反射模塊包含的角錐反射鏡個數)，該光束首先入射到移動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，最后激光束通過移動反射模塊的第N塊角錐反射鏡反射，并通過接收光纖準直器11、光纖尾纖12和光纖連接器13耦合入外部光路中。當入射激光束在兩個反射模塊之間反射時，音圈電機通過連接器驅動移動反射模塊做直線往復移動，導致光程快速周期性改變，由于激光束多次反射，因此當移動反射模塊改變距離AL時，整個光程改變量為NX 2AL，以此實現大延遲范圍、高掃描頻率的光程延遲。
[0025]如圖2所示，為本發明的包含3個鋁制中空角錐反射鏡的反射模塊結構示意圖。
[0026]所說的反射模塊基底為鋁制機械件，作用有兩個，一是為角錐反射鏡反射面提供基底，二是通過圖1中連接器實現和圖1中音圈電機的連接。
[0027]所說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，每個角錐反射鏡包含3個正交的反射面，入射光依次經這3個表面反射后出射，形成與入射光嚴格平行的反射光。
[0028]本發明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說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程的步驟或任何新的組合。
【主權項】
1.一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于包括:相互對立設置的移動反射模塊和固定反射模塊，所述移動反射模塊通過連接件與驅動電機連接，所述驅動電機通過驅動器連接到計算機，由上位機進行運動控制； 所述移動反射模塊和固定反射模塊均包括若干個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量比移動反射模塊上多一個； 所述固定反射模塊的一側設置有發射光纖準直器和接收光纖準直器，所述發射光纖準直器發射的光依次在移動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，從移動反射模塊上的中空鋁制角錐反射鏡上反射到接收光纖準直器。2.根據權利要求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置在基層上的玻璃層。3.根據權利要求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.根據權利要求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置一層高反射金屬膜。5.根據權利要求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.根據權利要求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立設置。7.根據權利要求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.根據權利要求1所述的一種大行程高掃描頻率光纖延遲線，其特征在于所述驅動電機為具有直接驅動、高加速度和無滯后響應特性的音圈電機。
【文檔編號】G02B26/10GK105891958SQ201610415895
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】劉喬, 黃華川, 朱禮國, 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
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所