CN111239908B - 一种紧凑型高速振荡光纤延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型高速振荡光纤延迟线，包括移动角锥反射单元、平面反射单元和固定角锥反射单元，移动角锥反射单元和固定角锥反射单元均包括若干个均匀排布的角锥反射镜，固定角锥反射单元置于移动角锥反射单元和平面反射单元一侧，随着移动角锥反射单元和平面反射单元沿直线做往复运动，发射光在移动角锥反射单元和固定角锥反射单元之间多次反射后入射到平面反射单元，平面反射单元反射后再经原光路返回。其在于利用光束的多次反射和光路复用，可在电机行程变化为ΔL的情况下，提供N+1倍ΔL的延迟变化，另外由于光路复用，也减少了移动角锥镜的数量，从而减轻了电机负载。

Description

一种紧凑型高速振荡光纤延迟线

技术领域：

本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及一种紧凑型的大行程、高扫描频率光纤延迟线。

背景技术：

太赫兹时域光谱(即THz-TDS)技术能够同时探测THz脉冲的振幅和相位信息，在生物学、材料科学、医学诊断、安全检查、无损检测、军事以及物理和化学等许多领域展现出巨大的应用潜力，已迅速发展成为一个令人关注的新兴研究方向。在THz-TDS技术中，时域THz脉冲波形是通过飞秒探针光对多个THz脉冲的不同延迟部位的扫描探测来实现的，最后得到的THz脉冲波形实际上是由多个不同的THz脉冲的不同部位“拼凑”而成。为实现扫描探测，需要不断改变飞秒探针光和THz脉冲的相对时延，而光学延迟线正是实现这一功能的核心。

在所有传统快光学延迟线技术中，振荡光学延迟线以其高延迟精度成为目前唯一可满足高精度太赫兹时域光谱检测需求的延迟线技术。但目前商用的振荡光学延迟线存在扫描速度低、延迟范围小和体积大、集成度差等缺点，无法满足快速高精度太赫兹时域光谱检测的需求，为此我们(中物院流体物理研究所)于2016年首次提出了一种基于多角锥棱镜反射结合高速音圈电机平台的振荡光纤延迟线(专利CN105891958A)，实现了≥20ps@40Hz(或≥200ps@12Hz)的工作能力。虽然该振荡光纤延迟线的性能相比目前商用产品得到了较大提高，但由于其***体积较大(L×W×H约为166mm×200mm×108mm)，尚难满足全光纤太赫兹时域光谱成像对***小型化的要求。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种紧凑型高速振荡光纤延迟线，解决现有光纤延迟线体积较大的问题，实现大延迟范围和高扫描频率(≥20ps@65Hz或≥200ps@20Hz)。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种紧凑型高速振荡光纤延迟线，包括移动角锥反射单元、平面反射单元和固定角锥反射单元，移动角锥反射单元和固定角锥反射单元均包括若干个均匀排布的角锥反射镜，固定角锥反射单元置于移动角锥反射单元和平面反射单元一侧，随着移动角锥反射单元和平面反射单元沿直线做往复运动，发射光在移动角锥反射单元和固定角锥反射单元之间多次反射后入射到平面反射单元，平面反射单元反射后再经原光路返回。

具体地，固定角锥反射单元中的角锥反射镜与移动角锥反射单元中的角锥反射镜数量相同，且固定角锥反射单元中的角锥反射镜与移动角锥反射单元中的角锥反射镜的反射面平行交错放置，平面反射单元的反射面与入射光线垂直。

具体地，移动角锥反射单元和平面反射单元固定在连接件一端，连接件另一端与音圈电机连接，连接件底部通过滑块与轨道滑动连接，编码器位于轨道一侧，用于获取滑块的具***置信息，编码器和音圈电机通过电缆线与电机驱动器连接。其中，编码器为高精度增量式直线编码器。

进一步地，移动角锥反射单元入射光路上依次设置光纤准直器、保偏光纤和环形器，光纤准直器通过保偏光纤与环形器连接，环形器为一个低插损3端口光纤环形器，用以实现入射激光束和反射激光束的分离。在环形器另一端分别连接输入保偏光纤尾纤和输出保偏光纤尾纤，输入保偏光纤尾纤和输出保偏光纤尾纤自由端均设有FC/APC转接头。

进一步地，所述角锥反射镜是中空玻璃角锥反射镜，用以使入射激光束沿原光路方向平行反射回去，在中空玻璃角锥反射镜表面镀高反膜使其单面反射率≥99％(中心波长可为1550nm、800nm或其他所需波长)，反射光束角度误差≤10″。

进一步地，平面反射单元是表面镀高反膜的平面镜，用以将垂直入射光束沿原路反射回去，其反射率≥99％(中心波长可为1550nm、800nm或其他所需波长)

进一步地，音圈电机、连接件、导轨、编码器、移动角锥反射单元、平面反射单元、固定角锥反射单元和光纤准直器均置于壳体内。

本发明所述的紧凑型高速振荡光纤延迟线适用于绝大部分全光纤太赫兹时域光谱成像***中太赫兹时域波形快速采集的场合。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.利用多个角锥镜与1个平面反射镜组合，使激光束先依次在多个角锥镜之间反射，最后垂直入射到平面反射镜上，然后光束再沿原路返回，利用高速音圈电机直接驱动角锥镜(或角锥镜和平面镜)进行直线往复运动，产生光程延迟的高速、周期性的大范围变化，从而实现延迟效果，其优点一方面在于利用光束的多次反射和光路复用，可在电机行程变化为ΔL的情况下，提供N+1倍ΔL的延迟变化(N为光束在角锥镜和平面镜上的总反射次数)，另外由于光路复用，也减少了移动角锥镜的数量，从而减轻了电机负载，另一方面在于利用音圈电机的直接驱动、高加速度和无滞后响应特性，可实现高频率延迟扫描。

2.利用低热膨胀系数的玻璃块拼接制作中空角锥反射镜，在其反射面上镀高反膜(中心波长可为1550nm、800nm或其他所需波长)，其优点一方面在于利用玻璃角锥反射镜的中空特性，相比传统基于玻璃制作的实心角锥反射棱镜，消除了对飞秒激光的色散展宽、减少了面型加工误差带来的偏角误差、减少了玻璃表面反射损耗和内部吸收，并减少了反射模块质量，降低了电机负载，另一方面由于采用低热膨胀系数玻璃作为基底材料，减小了由于环境温度变化导致的角锥镜变形。

3.利用与中空角锥反射镜同样具有低热膨胀系数的金属材料加工角锥反射镜底座，其优点在于减小或消除了环境温度变化导致的角锥镜变形和光束指向漂移。

4.利用高精度增量式直线编码器实时反馈音圈电机运动位置，其优点一方面在于利用增量式直线编码器的相对位移传感特性，可比采用绝对式编码器更方便地解码光程延迟的实时变化，另一方面在于利用编码器的高精度(最高可达0.1μm)，可获得高的延迟时间分辨率(最高可达2fs)，从而满足了太赫兹精细光谱测量的需求。

5.利用质心分布优化后的反射镜模块和连接件组成移动负载，其优点在于大幅减小了高频运动时的随机振动，使得选用小型音圈电机和轻质导轨组成音圈电机平台成为可能，从而不但减小了振荡光纤延迟线的体积，还提高了其工作能力。

6.利用长焦距光纤准直器与低插损3端口光纤环形器相结合，实现激光束准直、接收以及反射光束分离，其优点在于可获得大的工作距离，并减小***损耗及插损变化。

7.与现有的多角锥棱镜反射结合高速音圈电机平台的振荡光纤延迟线相比，体积缩小为前者的1/15，只有115mm×48mm×41mm(L×W×H)，而工作能力提升超过2.6倍，为≥20ps@65Hz(或≥200ps@20Hz)，是目前已知世界上体积最小、性能最高的振荡光纤延迟线。

附图说明：

图1为紧凑型高速振荡光纤延迟线结构示意图。

其中，1为音圈电机定子；2为音圈电机动子；3为连接件；4为导轨；5为编码器；6为移动角锥反射镜；7为平面反射镜；8为固定角锥反射镜；9为光纤准直器；10为保偏光纤；11为环形器；12、13分别为输入和输出保偏光纤尾纤；14为电缆线(包含编码器线和电源线)；15为音圈电机驱动器；16为壳体。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例涉及的一种紧凑型高速振荡光纤延迟线，包括音圈电机、连接件3、导轨4、编码器5、移动角锥反射单元6、平面反射单元7、固定角锥反射单元8、光纤准直器9、保偏光纤10、环形器11、输入保偏光纤尾纤12、输出保偏光纤尾纤13、电缆线14、音圈电机驱动器15和壳体16。

所述的音圈电机定子1，是一个圆柱形音圈电机的定子，它与音圈电机动子2共同组成高频音圈电机。音圈电机定子1固定在壳体一侧。

所述的音圈电机动子2是一个圆柱形音圈电机的动子(即线圈)，它与音圈电机定子1共同组成高频音圈电机，其最大行程≥6mm，运动位移曲线为正弦波。

所述的连接件3是一个质心分布优化后的机械连接元件，用以实现移动角锥反射单元6、平面反射单元7与音圈电机动子和导轨滑块之间的连接，它与移动角锥反射单元6、平面反射单元7以及导轨滑块共同组成移动负载。

所述的导轨4是一个高强度轻质直线导轨，用以实现移动角锥反射单元6、平面反射单元7的运动导向，使得当它们在音圈电机驱动下做高频往复运动时能保持直线运动，并减小随机振动。

所述的编码器5置于导轨一侧，编码器5为一个高精度直线编码器，用以将导轨滑块移动位置编码后发给音圈电机驱动器15，以实现音圈电机的高频伺服控制，其编码分辨率≤1μm。

所述的音圈电机驱动器15为一个电子元器件，用以实现音圈电机的供电和伺服控制，其自身供电通过外部交流电源和电源适配器提供。音圈电机驱动器15通过电缆线14分别与音圈电机和编码器连接。电缆线14为一束包含编码器线和电源线在内的电缆，用以将编码器信号反馈给音圈电机驱动器，并通过音圈电机驱动器给音圈电机供电。

移动角锥反射单元6和固定角锥反射单元7包括若干个均匀排布的角锥反射镜。所述角锥反射镜6为一个中空玻璃角锥反射镜，用以使入射激光束沿原光路方向平行反射回去，其单面反射率≥99％(中心波长可为1550nm、800nm或其他所需波长)，反射光束角度误差≤10″。所述的平面反射单元7是表面镀高反膜的平面镜，用以将垂直入射光束沿原路反射回去，其反射率≥99％(中心波长可为1550nm、800nm或其他所需波长)。

具体地，移动角锥反射单元6和固定角锥反射单元7固定在连接件3一端，连接件3底部通过导轨滑块与导轨4滑动连接，且连接件3另一端与音圈电机动子2连接。在音圈电机的带动下，连接件3带动移动角锥反射单元6、平面反射单元7沿直线做往复运动。固定角锥反射单元8置于移动角锥反射单元6和平面反射单元7对面，与移动角锥反射单元6和平面反射单元7相配合，实现了光束的多次反射和光路复用。

所述的光纤准直器9为一个长焦距光纤准直器，用以实现激光束的准直发射和反射光束的接收。

所述的保偏光纤10为一段保偏光纤，用于实现入射激光束和反射激光束在光纤准直器9和环形器11之间的传输，为熊猫保偏光纤，可单轴工作或双轴工作。

所述的环形器11为一个低插损3端口光纤环形器，用以实现入射激光束和反射激光束的分离，环形器11通过保偏光纤10与光纤准直器9相连。

所述的输入保偏光纤尾纤12用以将外部激光束输入环形器11，输出保偏光纤尾纤13用以将从环形器11输出的反射激光束引出，输入保偏光纤尾纤12和输出保偏光纤尾纤13均为为熊猫保偏光纤，且头部均有FC/APC转接头。

音圈电机、连接件3、导轨4、编码器5、移动角锥反射单元6、平面反射单元7、固定角锥反射单元8和光纤准直器9均置于壳体16内。壳体16为振荡延迟线的外壳，用以保护延迟线内部元件并屏蔽外部灰尘。

***工作方式如下：

外部输入的激光信号通过输入保偏光纤尾纤12进入环形器11，再通过保偏光纤10由光纤准直器9准直后发射到自由空间中，空间光束再依次在移动角锥反射单元6和固定角锥反射单元8之间进行多次反射，最后垂直入射到平面反射单元7上，反射光束再沿原光路返回。具体地。具体地，空间光束入射到移动角锥反射单元6的第一块角锥反射镜上，反射后入射到固定角锥反射单元8的第一块角锥反射镜上，再反射到移动角锥反射单元6的第二块角锥反射镜上，反射光束再次入射到固定角锥反射单元8的第一块角锥反射镜上，以此类推，直至反射光束由固定角锥反射单元8的第N块角锥反射镜反射到平面镜上，平面反射单元将其反射后经原光路返回。返回的光束由光纤准直器9接收，再经保偏光纤10和环形器11后，由输出保偏光纤尾纤13输出。

当音圈电机动子2在音圈电机驱动器15控制下做位移曲线为正弦的高频直线往复运动时，移动角锥反射单元6和平面反射单元7即随之做高频直线往复运动，从而使自由空间光程按正弦波发生周期性改变，设N为光束在角锥镜和平面镜上的总反射次数，ΔL为电机行程变化，则光程变化为N+1倍的ΔL，按照附图1的设置，N为5，假设ΔL为6mm，则延迟变化为120ps，若需获得更大的延迟变化，只需增加N，为此可在图1的基础上稍作改变即可。

Claims (4)

1.一种紧凑型高速振荡光纤延迟线，其特征在于，包括移动角锥反射单元、平面反射单元和固定角锥反射单元，移动角锥反射单元和固定角锥反射单元均包括若干个均匀排布的角锥反射镜，固定角锥反射单元置于移动角锥反射单元和平面反射单元一侧，随着移动角锥反射单元和平面反射单元沿直线做往复运动，发射光在移动角锥反射单元和固定角锥反射单元之间多次反射后入射到平面反射单元，平面反射单元反射后再经原光路返回，固定角锥反射单元中的角锥反射镜与移动角锥反射单元中的角锥反射镜数量相同，且固定角锥反射单元中的角锥反射镜与移动角锥反射单元中的角锥反射镜的反射面平行交错放置，平面反射单元的反射面与入射光线垂直，移动角锥反射单元和平面反射单元固定在连接件一端，连接件另一端与音圈电机连接，连接件底部通过滑块与轨道滑动连接，编码器位于轨道一侧，用于获取滑块的具***置信息，编码器和音圈电机通过电缆线与电机驱动器连接，移动角锥反射单元入射光路上依次设置光纤准直器、保偏光纤和环形器，光纤准直器通过保偏光纤与环形器连接，环形器为一个低插损端口光纤环形器，用以实现入射激光束和反射激光束的分离，在环形器另一端分别连接输入保偏光纤尾纤和输出保偏光纤尾纤，输入保偏光纤尾纤和输出保偏光纤尾纤自由端均设有FC/APC转接头，角锥反射镜是中空玻璃角锥反射镜，平面反射单元是表面镀高反膜的平面镜，编码器编码分辨率≤。

2.根据权利要求1所述的紧凑型高速振荡光纤延迟线，其特征在于，所述角锥反射镜是中空玻璃角锥反射镜，用以使入射激光束沿原光路方向平行反射回去，在中空玻璃角锥反射镜表面镀高反膜使其单面反射率，反射光束角度误差/>。

3.根据权利要求2所述的紧凑型高速振荡光纤延迟线，其特征在于，平面反射单元是表面镀高反膜的平面镜，用以将垂直入射光束沿原路反射回去，其反射率。

4.根据权利要求3所述的紧凑型高速振荡光纤延迟线，其特征在于，音圈电机、连接件、导轨、编码器、移动角锥反射单元、平面反射单元、固定角锥反射单元和光纤准直器均置于壳体内。