专利名称：基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，属于时间 分辨光学延迟线技术领域。
背景技术：
在光学和光电子学领域，人们一直致力于发展光学延迟线。光学延迟线是通过技术手 段实现参与实验的相干光脉冲之间精确可控的相对延迟时间的装置。光学延迟线是时间分 辨光学系统的关键部件，有着广泛应用技术领域，如THz时域频谱技术、超快时间分辨
率光谱技术、时间分辨干涉计量光谱技术、光学相干层析成像技术以及光学泵浦-探测技 术等。
实现光学延时的技术多种多样，最简单常用的是马达驱动的线性微位移平台控制的光 学背向反射器构成的光学延迟线，这类光学延迟线可以实现很长的时间延迟，但由于其机 械惯性而不能实现快速扫描。后来人们提出用压电换能器代替马达驱动的线性微位移平
台，尽管可以实现KHz的扫描速率，但由于压电换能器的位移量仅为微米量级，其应用 倍受局限。为了适应不同的应用背景，人们发明了各种各样的光学延迟线，如旋转块状玻 璃或反射镜对延迟线、基于光栅透镜构成的延迟线、旋转反射镜阵列式延迟线等。C,L. Wang发明了旋转直牙螺旋面反射镜光学延迟线(1998年美国专利，专利号5784186)。 这种基于旋转直牙螺旋面反射镜光学延迟线制作简单、运转稳定、延迟时间范围长，重复 频率高。但通过微分几何学理论分析发现，这种光学延迟线有以下几点技术壁垒(1)该 光学延迟线的反射镜面为马鞍面，经该反射镜反射的原平面波前被畸变为马鞍面，且当升 距增大(对应较大时间延迟范围)回转半径减小时，马鞍面型波前畸变更严重，马鞍型光 学波前畸变为复杂曲面波前相位失真，很难通过常规的光学器件补偿校正；(2)该光学延 迟线的出射光束与入射光束的夹角取决于螺旋面的升距和入射光的入射点离旋转轴的距 离，对于数毫米的螺旋面升距，出射光束与入射光束的夹角一般仅为1~5度，很难在短的 光程内设置光学器件实现光学延迟功能，较长的光程难以实现系统小型化，并且影响系统 稳定运转；(3)由于上述(2)，基于直牙螺旋面反射镜的光学延迟线只能采用一次反射式 光路设置，致使该光学延迟线的最大延迟光程仅为螺旋面升距的两倍，限制了最大延迟范围；(4)由于上述(3)，该光学延迟线在扫描延迟时间过程中伴以反射光束的平移，且升 距越大平移量越大，这种平移为许多应用领域带来不便和测试误差，艰制了这种延迟线的 广泛应用。
在光学延迟线领域，获得长延迟时间范围、高重复频率、高精度及小型化的延迟线致 关重要。
发明内容
本发明旨在提出一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，该延 迟线结构简单紧凑、延迟范围长、精度高、运转稳定。
本发明是通过下述技术方案加以实现的， 一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周
期扫描光学延迟线，该倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括驱动电
机20，驱动电机20带动倾斜抛物型母线的螺旋面反射镜11旋转，还包括控制光束背向反
射的背向反射镜12，其特征在于
上述倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面 形倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具有倾斜角度为0、抛物
线系数为M的母线，凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度0为(T ~15°，
凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度0为-15' (T，螺旋面升距d为
0 ~ 100mm ，入射点距旋转轴距离R为15ww 100mm，反射镜面的宽度T为10mw 20wm， 螺旋回转面反射镜的外径D为20mm 110ffW2，抛物线系数M由螺旋面升距d、母线倾斜 角度0及人射点距旋转轴的距离R决定；所述背向反射镜放置的位置为与倾斜抛物型
母线螺旋面反射镜11的旋转轴之间的夹角S0为-35° ~35°，离倾斜抛物型母线螺旋面反
射镜的距离为20ww 100附w。
本发明的优点在于(1)本发明采用倾斜抛物型母线螺旋面反射镜作为延迟装置，使 反射光与入射光束存在一个预偏置角0，恰当的分开了入射光束和反射光束，这样可以方
便搭建延迟线，縮短光路，使系统小型化。(2)本发明中在倾斜抛物型母线螺旋面反射镜
反射光一侧放置背向反射镜，调整该背向反射镜，使被延迟光束原路返回两次通过倾斜抛
物型母线螺旋面反射镜，延迟光程增大到4倍螺旋面升距，增大了延迟时间。(3)本发明 由于上述优点(2)，消除了延迟线扫描过程中造成的光束平移。
图l为本发明的结构示意图。
图中11为倾斜抛物型母线螺旋面反射镜；12为背向反射镜；20为驱动电机。 图2为本发明中凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜示意图。 图3为本发明中凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜示意图。
图2和图3中XYZ构成直角坐标系，Z轴为螺旋面反射镜旋转轴；P为径向坐标
参量；①为角向坐标参量；d为螺旋面升距，0为母线倾斜角度；D为螺旋面反射
镜的外径；T为反射镜面的宽度。 图4为由凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜构建的周期扫描光学延迟线组成的非共线
二次谐波产生飞秒激光自相关器。
图中Ol为钛宝石飞秒激光器；02为隔离器；03、 04、 05、 06、 07、 08、 09为波 长在780nm-820nm的介质膜全反射镜；10为分束器；11为倾斜抛物型母线螺旋面 反射镜；12为背向反射镜；13为汇聚透镜；14为倍频晶体(BBO); 15为小孔光阑； 16、 17为光电探测器；18为数字示波器。 图5为图4所示非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实例中经过隔离器02后被展宽 的飞秒激光序列脉冲的相关信号，该信号用商品相关器(APEPulseCheck-150)测 得。
图6为图4采用所示非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实例中实际测得的飞秒激光 序列脉冲的相关信号。
具体实施例方式
本发明获得基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线的具体实施方
法如下
首先是倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的设计和制备。详述如下
依据微分几何原理，螺旋回转面的参量方程写作
— ■ ■ d
r(p，0) = (pcos^，psin0,——0 + zo) (1)
2兀
上述具有倾斜抛物型母线螺旋面反射镜设计公式定义在直角坐标系中，如图2所示， Z轴与旋转轴重合。其中p为点F(p,0)到-Z轴的距离，0为相对回转角，d为螺旋面升距,zn为母线的参量表达式。母线为倾斜抛物线型时满足如下方程组
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中R为光束入射点距旋转轴的距离，0是母线的倾斜角度，M是母线抛物线系数。 螺旋回转面上任意一点F(P,0)的Z方向坐标满足
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
由公式(3)可知，z与回转角0成线性关系，因此周期性旋转的过程中，z方向可实 现与旋转角度0成线性的周期性延迟。本发明中最大延迟光程为4d，根据所设计延迟线需 要的最大延迟时间确定螺旋面升距d。
光束平行于旋转轴入射，入射点为F(i ,0)时，入射光与反射光间的夹角近似满足倾斜
直母线螺旋回转面条件下的夹角公式<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)
由公式可知，入射光与反射光间的夹角是i 、 d、 0的函数，当入射光束具有一定的半径 r时，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜将会使入射的准直光束发散，其最大发散角度近似满 足下式<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
其中A^是入射光束直径对应回转面参量0的增量A0a2r/i 。被螺旋面反射的光束发散
角度随母线倾斜角度0增大而增大，随R增大而减小，因此设计倾斜抛物型母线螺旋面反 射镜时根据应用的实际光束质量需求和结构需求，依据夹角公式(4)和发散角公式(5) 确定母线倾斜角度0和螺旋面的半径即R。
倾斜抛物型母线螺旋面上任意一点F(p,0)的法平面参量方程写作
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
其法线为n = (>4，5,C) (7)
倾斜抛物型母线螺旋面上的点到该法平面的距离表示为
cos 0 + jBp sin 0 +^ + z。) A/ = ~^^——, 2!- (8)
该距离A/也代表被倾斜抛物型母线螺旋面反射镜反射的光波前的畸变。由公式(8) 和上面确定的螺旋面升距d、母线倾斜角度6I及光束入射点距旋转轴的距离R，可以唯一
确定一个母线抛物线系数M。其确定条件是当6>>0时，A/max=0，如图2所示，获得
凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜；当0<0时，A/^-0，如图3所示，获得凹面型倾
斜抛物型母线螺旋面反射镜。
本发明中实际加工的凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具体参数为螺旋面升距
d=7.5mm，母线倾斜角度0 = 5°，螺旋面反射镜的外径宽度D=55mm，反射镜面宽度
T=10wm，光束入射点距旋转轴的距离i -50附w ，母线抛物线系数M44. 735137。该凸面 型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜由YYT70-15型同步电机驱动，电机转速为450rpm。背
向反射镜放置在与倾斜抛物型母线螺旋面反射镜旋转轴成10.9'角方向，且离倾斜抛物型
母线螺旋面反射镜50mm处，从而构成本发明的基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期 扫描光学延迟线。
采用上述基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线应用于图4所示 的非共线二次谐波产生飞秒激光自相关器实验中，该系统的输入飞秒激光序列脉冲的自相 关信号(即经过隔离器02后)如图5所示，该飞秒脉冲光经分束器10分成两束，30%的 一束称作信号光，经反射镜08、 09、 05、 06入射到汇聚透镜13上；70%的一束称作参 考光，进入基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，被基于倾斜抛物型 母线螺旋面反射镜构成的周期扫描光学延迟线延迟的参考光原路反射，再经分束器10和 全反镜07反射，平行于信号光入射到汇聚透镜13上，信号光和参考光经汇聚透镜聚焦入 射在倍频晶体(BBO) 14上，被激发产生的倍频信号被光电探测器16接收，并输入到示 波器的其中一输入端口。螺旋面反射镜反射面的起始处有一 2m附的开口，螺旋面反射镜 每旋转一周，参考光束从该开口透过一次，并照射在光电探测器17上，光电探测器17探 测的光信号脉冲输入到示波器18的另一输入端口，作为同步信号。倾斜抛物型母线螺旋面反射镜在驱动电机带动下周期性旋转，实现对待测光脉冲的自相关信号周期性扫描。由 该系统测得的飞秒激光序列脉冲的自相关信号如图6所示，该测得的脉冲信号脉宽与输入 信号脉冲宽度吻合，因此基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线具有很 高的测量精度，与相同结构参数的旋转直牙螺旋面反射镜的光学延迟线相比，延迟范围增 大了2倍，且大大縮小了装置的结构尺寸。
权利要求
1. 一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线，该基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括驱动电机(20)，驱动电机(20)带动倾斜抛物线型母线的螺旋回转面反射镜(11)旋转，还包括控制光束背向反射的背向反射镜(12)；其特征在于所述倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，倾斜抛物型母线螺旋面反射镜具有倾斜角度为θ、抛物线系数为M的母线，凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为0°～15°，凹面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的母线倾斜角度θ为-15°～0°，螺旋面升距d为0～100mm，入射点距旋转轴距离R为15mm～100mm，反射镜面的宽度T为10mm～20mm，螺旋回转面反射镜的外径D为20mm～110mm，抛物线系数M由螺旋面升距d、母线倾斜角度θ及入射点距旋转轴的距离R决定；所述背向反射镜放置的位置为与倾斜抛物型母线螺旋面反射镜(11)的旋转轴之间的夹角δθ为-35°～35°，离倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的距离为20mm～100mm。
全文摘要
本发明公开了一种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线。该种基于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线包括倾斜抛物型母线螺旋面反射镜、背向反射镜、驱动电机。倾斜抛物型母线螺旋面反射镜包括凸面型倾斜抛物型母线螺旋面反射镜和凹面形倾斜抛物型母线螺旋面反射镜，背向反射镜用于控制光束被倾斜抛物型母线螺旋面反射镜的周期扫描光学延迟线原路反射。本发明的优点在于倾斜抛物型母线螺旋面反射镜与背向反射镜组合增大线性延迟时间，消除单程螺旋面延迟线对反射光的平移，使延迟线结构简单紧凑。
文档编号G02B26/08GK101430422SQ200810154189
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者丰 刘, 王昌雷, 王月宾, 邢岐荣 申请人:天津大学