偏振无关光程扫描延迟装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学技术领域，特别是涉及一种偏振无关光程扫描延迟装置。


背景技术：

2.光程扫描延时装置通过对输入和输出模块的光产生可调整的光程，从而产生相应的光传输延时。该类装置在多种相干探测光学系统，如太赫兹时域光谱系统，红外傅里叶变换光谱仪，时域光学相干层析成像系统，自相关仪超短脉冲测量、泵浦探测系统等中有着重要的作用。其中，扫描延时范围和扫描速度(或等价于扫描频率)是所述光程扫描延时装置的几个重要技术指标。
3.现有市场上的光程扫描延时装置，种类和实现方式很多，但必然存在扫描延时范围和扫描速度之间的相互制约。例如，较长光程扫描，一般通过一维的步进电机位移台装载反射镜，虽然扫描光程延时范围最长可以达到1ns以上，但受制于步进电机的运动速度，其光程扫描的往复频率有限；而使用快速振动的音圈电机模组，虽然往复频率可达数十hz，但光程扫描延时范围有限，一般在100ps量级。
4.因此，希望能够解决如何兼顾扫描延时范围和扫描速度实现快速大光程扫描延时的问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种偏振无关光程扫描延迟装置，用于解决现有技术中如何兼顾扫描延时范围和扫描速度实现快速大光程扫描延时的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种偏振无关光程扫描延迟装置，包括：光环行器，所述光环行器具有三个端口，外部入射光输出入至所述光环行器的第一端口；设置于所述光环行器的第二端口的输出光路上的偏振分束器；依次设置于所述偏振分束器的反射光路上的1/2波片和运动光路折叠回射镜；所述运动光路折叠回射镜设置于直线运动机构上，所述直线运动机构带动所述运动光路折叠回射镜沿着所述输出光路的方向前后移动；依次设置于所述偏振分束器的透射光路上的1/4波片和平面反射镜；设置于所述运动光路折叠回射镜的反射光路上的固定光路折叠回射镜，以使所述固定光路折叠回射镜能够将光反射回至所述运动光路折叠回射镜或所述偏振分束器的反射面，以使所述偏振分束器能够将从固定光路折叠回射镜反射的光反射至所述1/4波片或透射至所述1/2波片；以使经由所述平面反射镜反射回至所述偏振分束器的反射面的光，经所述反射面反射至所述固定光路折叠回射镜或从所述反射面透过输出至所述光环行器的第二端口，并经所述光环行器的第三端口输出。
7.于本实用新型的一实施例中，还包括光学耦合部件，以使外部入射光经所述光学耦合部件输出入至所述光环行器的第一端口，所述光学耦合部件为光纤、光纤准直器、光纤耦合器。
8.于本实用新型的一实施例中，所述光学耦合部件、所述光环行器、所述偏振分束器、所述1/2波片、所述运动光路折叠回射镜、所述1/4波片、所述平面反射镜和所述固定光路折叠回射镜的光路的中心高度位于同一水平面。
9.于本实用新型的一实施例中，所述直线运动机构包括：音圈电机、步进电机。
10.于本实用新型的一实施例中，所述偏振分束器为偏振立方体分束器。
11.于本实用新型的一实施例中，所述运动光路折叠回射镜为以下任意一种：中空回射器、回射棱镜、双片反射镜。
12.于本实用新型的一实施例中，所述固定光路折叠回射镜为以下任意一种：中空回射器、回射棱镜、双片反射镜。
13.于本实用新型的一实施例中，所述1/2波片的光轴方向位于所述偏振分束器输出偏振光的s偏振方向与p偏振方向的夹角等分线方向。
14.于本实用新型的一实施例中，所述1/4波片的光轴方向位于所述偏振分束器输出偏振光的s偏振方向与p偏振方向的夹角等分线方向。
15.如上所述，本实用新型的一种偏振无关光程扫描延迟装置，具有以下有益效果：于在移动相同直线运动机构距离的情况下增加一倍输出光的光程。
附图说明
16.图1显示为本实用新型的常规直线运动光程扫描延迟装置于一实施例中的结构示意图；
17.图2显示为本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置于一实施例中的结构示意图；
18.图3显示为本实用新型的偏振分束器于一实施例中的结构示意图；
19.图4显示为本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置于一实施例中的1/4波片和平面反射镜的结构示意图；
20.图5显示为本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置于一实施例中的p偏振的光路结构示意图；
21.图6显示为本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置于一实施例中的s偏振的光路结构示意图。
22.元件标号说明
23.11
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光学耦合部件
24.12
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光路折叠回射镜
25.13
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直线运动机构
26.14
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输出光学耦合部件
27.201
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光学耦合部件
28.202
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光环行器
29.203
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偏振分束器
30.204
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1/2波片
31.205
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运动光路折叠回射镜
32.206
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直线运动机构
33.207
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1/4波片
34.208
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平面反射镜
35.209
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固定光路折叠回射镜
36.210
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输出光学耦合部件
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，故图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
39.本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置，用于在移动相同直线运动机构距离的情况下增加任意偏振态输入光的光程延时。
40.如图1所示，本实用新型基于所述常规直线运动光程扫描延迟装置进行的改进，所述常规直线运动光程扫描延迟装置包括：输入光学耦合部件11、光路折叠回射镜12、直线运动机构13和输出光学耦合部件14。所述光路折叠回射镜12设置于所述直线运动机构13上，所述直线运动机构13带动所述光路折叠回射镜12在图中双箭头所表示的方向上进行直线运动。在所述光路折叠回射镜12进行直线运动时，使得输出光的传播距离发生变化，从而形成光程扫描延时。假设直线运动机构的位移量为δx(可正可负，正号表示所述光路折叠回射镜远离输入光学耦合部件11和输出光学耦合部件14，负号表示靠近输入光学耦合部件11和输出光学耦合部件14)，则有光程扫描延时量δt＝2nδx/c(c为光速，n为光路传播介质的折射率，一般介质为空气，则n＝1)。
41.如图2所示，于一实施例中，本实用新型的偏振无关光程扫描延迟装置，包括：
42.光环行器202，所述光环行器202具有三个端口，外部入射光输出入至所述光环行器202的第一端口。
43.具体地，还包括光学耦合部件201，以使外部入射光经所述光学耦合部件输出入至所述光环行器202的第一端口.
44.具体地，所述光学耦合部件201为光纤、光纤准直器、光纤耦合器。所述光学耦合部件201用于将光输入所述光环行器202的第一端口。
45.具体地，所述光环行器202光环形器是一种三端口器件，具有三个端口。光从第一端口入射时，可从第二端口出射；光从第二端口入射时，可从第三端口出射；光从第三端口入射时，不会有光从第一端口出射，因此，常用于分离输入光与反向输出光。
46.设置于所述光环行器202的第二端口的输出光路上的偏振分束器203。
47.具体地，如图3所示，偏振分束器203的作用是对不同偏振状态的入射光实现全反或全透，达到偏振相关分束的作用。任何光束可以分解为两束线偏振光，其偏振状态为线偏
振，偏振方向互相垂直(且两束光的偏振方向均与光束传播方向相垂直)，不妨假设其中一束的偏振方向为垂直于入射面(入射面为由入射光线和反射面的法线所决定的平面，记为s偏振光)，另一束的偏振方向为平行于入射面(记为p偏振光)当偏振光与所述偏振分束器203的反射面的法线呈45度角入射时，所述偏振光的s偏振光被所述反射面反射，而所述偏振光的p偏振光被所述反射面透射。
48.具体地，所述偏振分束器203为偏振立方体分束器。具体地，所述光环行器202的第二端口的输出光，入射所述偏振立方体分束器，且与所述偏振分束器203的反射面的法线呈45度角入射。
49.依次设置于所述偏振分束器203的反射光路上的1/2波片204和运动光路折叠回射镜205；所述运动光路折叠回射镜205设置于直线运动机构206上，所述直线运动机构206带动所述运动光路折叠回射镜205沿着所述输出光路的方向前后移动。
50.具体地，所述偏振分束器203的反射光路是指入射光从所述光环行器202的第二端口的输出时，入射所述偏振分束器203，此时输入光与所述偏振分束器203的反射面的法线呈45度角的夹角。将输入光分解为两束偏振光，其中一束的偏振方向为垂直于入射面(入射面为由入射光线和反射面的法线所决定的平面，记为s偏振光)，那么所述偏振光的s偏振光被所述反射面反射，所述s偏振光反射所在的光路即为反射光路；而另一束的偏振方向为平行于入射面(记为p偏振光)，所述p偏振光直接穿透所述反射面，那么所述p偏振光所在的光路即为透射光路。
51.具体地，所述入射光为任意偏振光，所述1/2波片204的光轴方向位于所述偏振光的s偏振方向与p偏振方向的夹角等分线方向。即当线偏振光的偏振方向与1/2波片204的光轴成45
°
时，1/2波片204可将线偏振光的偏振方向改变90
°
。即可以将入射所述1/2波片204的s偏振方向的偏振光在出射所述1/2波片204后变成p偏振方向的偏振光(同理可将p偏振光变成s偏振光)。
52.具体地，所述直线运动机构206包括：音圈电机、步进电机。所述直线运动机构206带着所述运动光路折叠回射镜205沿着所述输出光路的方向前后移动。即所述光入射所述运动光路折叠回射镜205后的反射光与所述入射光平行。所述入射光与所述运动光路折叠回射镜205的一个反射面的法线呈45度夹角。所述运动光路折叠回射镜205为以下任意一种：中空回射器、回射棱镜、双片反射镜。目的是使回射光与入射光保持平行且处于同一高度。
53.依次设置于所述偏振分束器203的透射光路上的1/4波片207和平面反射镜208。
54.具体地，所述1/4波片207和所述平面反射镜208的作用是将入射的线偏振光和反射的线偏振光的夹角改变90
°
。即如图4所示，入射光为p偏振光，而反射光为s偏振光。所述入射光为偏振光，所述1/4波片207的光轴方向位于所述偏振光的s偏振方向与p偏振方向的夹角等分线方向。平面反射镜208固定不动，并与入射光保持垂直，确保入射光能被平面反射镜208垂直反射回光路。
55.设置于所述运动光路折叠回射镜205的反射光路上的固定光路折叠回射镜209，以使所述固定光路折叠回射镜209能够将光反射回至所述运动光路折叠回射镜205或所述偏振分束器203的反射面，以使所述偏振分束器203能够将从固定光路折叠回射镜209反射的光反射至所述1/4波片207或透射至所述1/2波片204；以使经由所述平面反射镜208反射回
至所述偏振分束器203的反射面的光，经所述反射面反射至所述固定光路折叠回射镜209或从所述反射面透过输出至所述光环行器202的第二端口，并经所述光环行器202的第三端口输出。最终经输出光学耦合部件210输出。
56.具体地，所述固定光路折叠回射镜209为以下任意一种：中空回射器、回射棱镜、双片反射镜。
57.具体地，所述光学耦合部件201、所述光环行器202、所述偏振分束器203、所述1/2波片204、所述运动光路折叠回射镜205、所述1/4波片207、所述平面反射镜208和所述固定光路折叠回射镜209的光路的中心高度位于同一水平面。
58.通过本方法，在未增加新的运动机构的基础上，通过添加部分偏振光学元件，即可实现光程扫描的加倍(2次经过运动光路折叠回射镜205)，同时，该光路对于任意偏振态的输入光均适用，且光路中不存在原理性光损耗(如半透半反分束片等)，具有较大的应用灵活性。
59.具体地，如图5所示，对偏振分束器203的反射光路上的光路进行具体描述。任意偏振方向和偏振态的入射光从光学耦合部件201输出至所述光环行器202的第一端口，从所述光环行器202的第二端口的输出。可将入射至偏振分束器203的光分解为s偏振光和p偏振光，其中s偏振光经所述偏振分束器203的反射面反射，入射至所述1/2波片204。从1/2波片204出射的光变为p偏振光，并首次经过所述运动光路折叠回射镜205和固定光路折叠回射镜209之后，再次入射至偏振分束器203。此时p偏振的入射光将全透过偏振分束器203后再次入射至1/2波片204，并再次被1/2波片204改变偏振方向变为s偏振的出射光；s偏振的出射光第二次经过运动光路折叠回射镜205和固定光路折叠回射镜209之后，又一次入射至偏振分束器203。s偏振的出射光被所述偏振分束器203反射至1/4波片207和平面反射镜208，偏振方向改变90
°
变为p偏振的出射光，入射至偏振分束器203，而后全透过偏振分束器203，回射至光环行器202的第二端口，并从光环行器的第三端口输出。最终经输出光学耦合部件210输出。
60.具体地，如图6所示，对偏振分束器203的透射光路上的光路进行具体描述。任意偏振方向和偏振态的入射光从光学耦合部件201输出至所述光环行器202的第一端口，从所述光环行器202的第二端口的输出。可将入射至偏振分束器203的光分解为s偏振光和p偏振光，其中，从光环行器的第二端口入射至偏振分束器203的反射面的p偏振光，将全透过偏振分束器203后射向由1/4波片207和平面反射镜208构成部件；反射光将改变90
°
偏振方向变为s偏振，入射至偏振分束器203，并反射至固定光路折叠回射镜209，而后首次经过运动光路折叠回射镜205后，入射至1/2波片204；从1/2波片204出射的光变为p偏振的偏振光，并再次入射至偏振分束器203，全透过偏振分束器203后，经过固定光路折叠回射镜209后，第二次入射至运动光路折叠回射镜205；从运动光路折叠回射镜205出射的光束经过1/2波片204后，变为s偏振的偏振光，并入射至偏振分束器203；该光束将被偏振分束器203反射回光环行器202的第二端口，并从光环行器202的第三端口输出。
61.从上述图5和图6分析可知，无论入射光的偏振方向是何种偏振状态，该入射光均将经过2次运动光路折叠回射镜205，因此形成的光程扫描延时范围正比于直线运动机构206行程的4倍(δt＝4nδx/c)。另一方面，入射的p偏振和s偏振光所经过的光程长度相等，在各种色散元件(1/2波片204，1/4波片207，偏振分束器203)中运动的光程也相等，因此最
终在光环行器202的第三端口形成的合束光并没有引入额外的色散。
62.具体地，外部入射光从输入光学耦合部件201输入至光环行器202的第一端口，光环行器202可以是光纤尾纤导光输入的，也可以是自由空间导光输入的；输入光也可以是光纤导光的，或是自由空间导光的；如果外部输入光和光环行器202的导光方式不同，则可以使用一个光纤准直/耦合器进行准直/耦合(从该器件中输出光时为准直作用，输入光至该器件时为耦合作用)。
63.综上所述，本实用新型偏振无关光程扫描延迟装置，无论入射光的偏振方向是何种偏振状态，该入射光均将经过2次运动光路折叠回射镜，因此形成的光程扫描延时范围正比于直线运动机构行程的4倍(δt＝4nδx/c)。另一方面，入射的p偏振和s偏振光所经过的光程长度相等，在各种色散元件(1/2波片，1/4波片，偏振分束器)中运动的光程也相等，因此最终在光环行器的第三端口形成的合束光并没有引入额外的色散。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
64.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。