CN101620316B - 光学偏转加速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学偏转加速装置，包括入射光源、出射光捕捉装置和反射装置，反射装置为曲面反射镜；曲面反射镜上柱面的母线与入射光束和出射光束所在平面垂直；曲面反射镜中柱面的曲率满足m＝1+2ρL的关系。通过将光学偏转加速装置中的反射装置设置成曲面反射镜，当入射光束时序地入射到曲面反射镜上的某一点时，而入射角和反射角随曲面反射镜上反射点的位置变化或者反射点处的曲率增大而增大；当入射光束发生很小的原始偏转时，其反射光束随之发生偏转且其偏转角度被放大。可通过调节曲面反射镜的曲率来获得不同倍数的加速偏转。改变了现有技术的惯用思路，开创了解决光束偏转加速这一问题的新思路，对于各种瞬态过程的科学研究具有重要的意义。

Description

光学偏转加速装置

【技术领域】

本发明涉及超高速摄影技术，更具体地说，涉及一种超高速摄影技术中所需的光学偏转加速装置。

【背景技术】

为了得到微秒级至纳秒级瞬态变化过程的时间-空间信息，例如在爆轰物理过程和激波物理过程的研究中就需要这种信息，人们发展了超高速摄影技术。超高速摄影技术可以在微秒级至纳秒级的时间间隔里得到一幅一幅瞬态过程的照片，用以研究瞬态过程的变化规律。高速摄影的关键技术是如何形成高速和如何分幅，即如何在极短的时间里得到几十幅甚至上百幅随时间变化的图片。

通常的超高速摄影方法是先捕捉影像，将影像的光束照射到高速旋转的转镜上，透过高速旋转的转镜能够形成出射光束的高速偏转，从而将入射光束高速偏转并实现分幅。出射光束的偏转速度是制约转镜类摄影机摄影性能的主要因素。如何提高出射光束的偏转速度，一直是这一领域的研究课题。

到目前为止，有两种途径来提高对光束的偏转速度：一种是将入射光束照射到高速旋转的转镜上，通过提高转镜转速的方法来提高出射光束的偏转速度；二是将入射光束采用多次反射的方法来加速出射光束的偏转速度。在提高转镜转速的方法中，可以通过使用高密度的转镜材料、改进转镜的截面形状、改进转镜的处理工艺和改善转镜的横向结构等方面来提高转镜的转速，但是这些方法都难以使得转镜的转速成倍提高(强激光与粒子束，2006，18(6)：1277～1281；SPIE，2005，Vol.5638：117～123)。而采用多次反射的方法来加速出射光束的偏转速度，偏转速度可成倍提高。

目前，采用多次反射的方法来加速出射光束的偏转速度，有两类方案。第一类是通过旋转的多面体反射镜和静止的反射镜相结合，将经过转镜初始加速后的光束在反射镜之间反射后，可以形成4倍、8倍、12倍加速出射光束的偏转，已有九面体反射镜和反射棱镜组合形成4倍加速的应用。第二类是将经过转镜初始加速后的光束在成楔形的两块反射镜(可以一动一静，亦可以两动)，在相向或者相反的脉冲式偏转中，经多次反射后可将出射光束加速到16倍(具体倍数取决于楔形装置和入射光束的入射角度)，已有7倍加速的应用(SPIE，2003，Vol.4948：330～335)。但是依靠多次反射对出射光束的加速，有两个必要的条件：一是必须有精密的转动部件，二是要通过反射镜的多次反射，反射镜之间的相互位置关系必须精确，使用这种方法时需要经过精密的计算且相应***的结构复杂，成本高。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述光学偏转加速装置中存在结构复杂且偏转加速的倍数存在瓶颈的缺陷，提供一种可将光束进行任意倍数偏转加速的光学偏转加速装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光学偏转加速装置，包括产生带偏转速度的入射光束的入射光源、捕捉出射光束的出射光捕捉装置和将入射光束反射至出射光捕捉装置的反射装置，其特征在于，所述反射装置为曲面反射镜；所述曲面反射镜上供入射光束扫描的部分曲面为柱面，该柱面的母线与入射光束和出射光束所在平面垂直；所述曲面反射镜中柱面的曲率在沿入射光束的偏转方向上可以是固定不变的，也可以是连续变化的；所述曲面反射镜中柱面的曲率满足以下关系：

m＝1+2ρL；

其中，m为出射光束偏转速度相对于入射光束偏转速度所需的倍数；ρ为曲面反射镜反射点处的曲率；L为入射光线未偏转时与曲面反射镜柱面的相交点到原物偏转点之间的距离。

在本发明所述的光学偏转加速装置中，所述曲面反射镜中设有多段所述柱面。

在本发明所述的光学偏转加速装置中，所述曲面反射镜中柱面的曲率在沿入射光束的偏转方向上是常量或连续增大的变量。

在本发明所述的光学偏转加速装置中，所述曲面反射镜中的柱面是圆柱面或超越曲线柱面。

在本发明所述的光学偏转加速装置中，还包括设置在入射光源和曲面反射镜之间将入射光源产生的入射光束在曲面反射镜上形成焦线的入射聚焦透镜。

在本发明所述的光学偏转加速装置中，还包括设置在曲面反射镜和出射光捕捉装置之间将出射光束还原的出射聚焦透镜。

实施本发明的光学偏转加速装置，具有以下有益效果：通过将光学偏转加速装置中的反射装置设置成曲面反射镜，当入射光束时序地入射到曲面反射镜上的某一点时，根据反射定律，出射光束的反射角和入射光束的入射角相等，而入射角和反射角随曲面反射镜上反射点处的位置变化或者曲率增大而增大；当入射光束发生偏转时，其反射光束随之发生偏转且其偏转角度被放大。可根据具体的需要调节曲面反射镜的曲率来进行设计调整，以获得不同倍数的加速偏转。改变了现有技术中针对于提高光束偏转加速的倍数这一问题所惯用的两种方法：利用高速转镜反射，提高转镜转速；以及设计位置精确的两块相对的反射镜，通过增加反射次数来提高光束偏转加速的倍数，开创了解决这一问题的新思路。同时，这种光学偏转加速装置特别适合对电光偏转的微小角度和古斯-汉欣位移产生的微小位移进行光束偏转加速，这种光束偏转加速的过程通常为纳秒量级，其极限过程时间为电光效应的弛豫时间。

由于本发明所述的光学偏转加速装置无需任何机械转动部件或设计位置精密的反射板进行多次反射，结构简单；仅仅通过改变曲面反射镜的曲率就能够以10倍甚至更高倍数的光学偏转加速倍数来提高出射光束的偏转速度，从而把光束的偏转速度提高了1-2个数量级，大大提高光束偏转类设备的扫描速度、摄影频率、时间空间信息量，进一步满足爆轰类、激波类等超快过程的研究，特别是能满足极速激光飞片和z-磁箍缩等极端物理条件下科学研究的发展要求。

更进一步地，可设置曲面反射镜上供入射光束扫描的部分曲面为柱面，且该柱面的母线与入射光束和出射光束的平面相垂直，使得入射光线在发生偏转时始终与柱面的母线垂直，方便按照预设的倍数进行柱面曲率的设计。

更进一步地，还可通过调节入射光线未偏转时与曲面反射镜的相交点到原物偏转点之间的距离，来调整光束偏转加速的倍数。可设置驱动装置驱动入射光源或者曲面反射镜来改变两者之间的距离，使之呈加速度递减。加速度越大，其光束偏转加速的倍数越大。

更进一步地，还可曲面反射镜上有两段或两段以上的上述柱面，以满足在连续高速摄影过程中，对光束偏转加速的倍数产生跳跃式变化需要；或者设置上述柱面的曲率是连续增大或减小的，使得光束偏转加速的倍数产生连续的变化。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

【附图说明】

图1是本发明所述光学偏转加速装置的原理结构示意图；

图2是本发明所述光学偏转加速装置中第一实施例的结构示意图；

图3是本发明所述光学偏转加速装置中第二实施例的结构示意图。

【具体实施方式】

本发明主要是将有着微小偏转或者位移的光束时序地入射到一个空间曲面的不同位置，形成不同的入射角，根据反射定律，出射光束的反射角和入射光束的入射角相等且作连续变化，反射角的大小和反射角的变化范围受入射光束和曲面的相对位置及曲面曲率大小的制约，可以进行设计调整。这样就形成了出射光束的扫描和偏转角度的放大，放大倍数和结构参数有关：和产生原始微小偏转或者位移的***和空间曲面***的相对位置有关，和空间曲面的曲率大小有关。

如图1所示，在本发明所述的光学偏转加速装置中，入射光束产生原始微小的偏转角

入射到半径为r曲率为ρ(ρ＝l/r)、圆心为C点的圆柱面反射镜，入射点T点的入射角为θ，则出射光束相对于入射光轴OX的偏转角

在初始偏转角

很小的情况下(一般指小于1°)，光学偏转加速的倍数

其中L为原物偏转点到圆柱反射镜面顶点的距离。由此可知，光学偏转加速的倍数直接取决于ρ和L的变化，当ρ和L变大时，即曲面反射镜的曲率增大和原物偏转点到反射镜吗顶点之间的距离增大时，光束偏转加速的倍数提高。原理上，光束偏转加速的倍数可以无限增大；但ρ变大时，曲面反射镜的半径变小，难以进行加工；同时，光束偏转扫描曲面反射镜时，需要曲面反射镜上有足够的扫描面，因而限制了曲面反射镜的曲率不能太大。另一方面，当原物偏转点到圆柱反射镜面顶点之间的距离增大时，入射光线会发生较大的漫射，会影响到出射光束的强度，进而影响到最终的成像质量，因而限制了L不能无限增大。一般说来可以设置在10～100之间，这就使得光束偏转角度的放大和偏转速度的加速倍数可提高1～2个量级，从而解决了现有技术中提高偏转加速的倍数的瓶颈问题。另外，这种光学偏转加速装置没有转镜类机械旋转部件，***简单，特别适合与电光偏转、古斯-汉欣位移相结合，对原始偏转和原始位移的光束进行加速偏转。因为是利用光学的反射定律，所以属于光学偏转加速的范畴，是一种利用空间曲面反射的加速技术。

在图2示出的本发明所述光学偏转加速装置的第一实施例中，包括入射光源，曲面反射镜和出射光捕捉装置(图中未示出)。其中，入射光源利用电光偏转晶体(EOC)101产生偏转，该晶体可以是掺镁铌酸锂晶体。曲面反射镜102为圆柱面反射镜(CCR)，其半径为r，曲率为ρ。光轴OX通过圆柱面的圆心C，电光偏转晶体在光轴OX上到圆柱面反射镜之间的距离为L，即为原物偏转点到圆柱面反射镜顶点的距离。当电光偏转晶体101加上高压脉冲时，在脉冲前沿的极短时间(纳秒级)内将光束产生初始偏转角

并使得光束具有一定的偏转速度。入射光束在圆柱面反射镜102上扫描，随着入射角θ的变化，其出射光束的反射角θ也在逐步被放大，从而达到放大偏转角度的目的。此时，由于圆柱面反射镜的半径不变，且圆心通过光轴OX，即在被偏转之前的入射光束的入射路径上，并且原物偏转点到圆柱面反射镜102顶点的距离L不变，按照上述公式

则光束偏转速度被放大的倍数m是不变的。此时，可按照需要放大的光束偏转的倍数，来设计合理的曲面反射镜和偏转晶体和曲面反射镜之间的位置。

可设置偏转晶体101位于沿光轴OX移动的移动装置上，而曲面反射镜102固定，当偏转晶体101随移动装置沿光轴OX移动时，L会发生变化，进而使得光束偏转速度被放大的倍数m发生变化。因此，可通过调节偏转晶体101相对曲面反射镜102的位置来调节光束偏转速度的放大倍数m。

也可在曲面反射镜102上设置多段不同曲率的柱面，这样可以通过选择不同的入射光束的初始偏转角

使得入射光束照射到不同曲率的柱面上，从而使入射光束获得不同放大倍数m的偏转加速。

曲面反射镜102还可设置成其他形式的柱面。为了使得整个装置的结构更为紧凑，可将曲面反射镜102设置成超越曲线柱面，该超越曲线柱面的曲率ρ沿入射光束偏转方向逐步递减，并且该超越曲线柱面上的曲率中心C沿光轴OX变化。这样就可以设置偏转晶体101和曲面反射镜102之间的位置相对固定，即L不变，减少装置内部的移动装置，使得整体结构更为简单紧凑。可通过控制偏转晶体101来控制入射光束的初始偏转角

即入射光束照射到超越曲线柱面上的曲率可选择，由此获得不同放大倍数的偏转加速。

在图3示出的本发明所述光学偏转加速装置的第二实施例中，包括作为入射光源的调Q脉冲激光器201，可以是红宝石激光器和YAG激光器；同样包括电光偏转晶体202、曲面反射镜203和出射光捕捉装置(图中未示出)，还包括设置在电光偏转晶体202和曲面反射镜203之间的入射聚焦透镜204，以及设置在曲面反射镜203和出射光捕捉装置之间的出射聚焦透镜205。其中，曲面反射镜203可以如上述实施例设置，而入射聚焦透镜204和出射聚焦透镜205的母线与入射光束和出射光束所在的平面垂直。通过设置入射聚焦透镜204可以将入射光束在曲面反射镜203上形成焦线，以便提高反射光束的反***度；而出射聚焦透镜205可以将出射光束还原成所需要的光束，避免出射光束因产生漫射而影响到最终的成像质量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种光学偏转加速装置，包括产生带偏转速度的入射光束的入射光源、捕捉出射光束的出射光捕捉装置和将入射光束反射至出射光捕捉装置的反射装置，其特征在于，所述反射装置为曲面反射镜；所述曲面反射镜上供入射光束扫描的部分曲面为柱面，该柱面的母线与入射光束和出射光束所在平面垂直；所述曲面反射镜中柱面的曲率在沿入射光束的偏转方向上可以是固定不变的，也可以是变化的；所述曲面反射镜中柱面的曲率满足以下关系：

m＝1+2ρL；

其中，m为出射光束偏转速度相对于入射光束偏转速度所需的倍数；ρ为曲面反射镜反射点处的曲率；L为入射光线未偏转时与曲面反射镜柱面的相交点到原物偏转点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的光学偏转加速装置，其特征在于，所述曲面反射镜中设有多段所述柱面。

3.根据权利要求1所述的光学偏转加速装置，其特征在于，所述曲面反射镜中柱面的曲率在沿入射光束的偏转方向上是常量或连续增大的变量。

4.根据权利要求1所述的光学偏转加速装置，其特征在于，所述曲面反射镜中的柱面是圆柱面或超越曲线柱面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学偏转加速装置，其特征在于，还包括设置在入射光源和曲面反射镜之间将入射光源产生的入射光束在曲面反射镜上形成焦线的入射聚焦透镜。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学偏转加速装置，其特征在于，还包括设置在曲面反射镜和出射光捕捉装置之间将出射光束还原的出射聚焦透镜。

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