專利名稱：光學偏轉加速裝置的制作方法
光學偏轉加速裝置
技術領域：
本發(fā)明涉及超高速攝影技術，更具體地說，涉及一種超高速攝影技術中所 需的光學偏轉加速裝置。
背景纟支術
為了得到微秒級至納秒級瞬態(tài)變化過程的時間一空間信息，例如在爆轟物 理過程和激波物理過程的研究中就需要這種信息，人們發(fā)展了超高速攝影技術。 超高速攝影技術可以在微秒級至納秒級的時間間隔里得到一幅一幅瞬態(tài)過程的 照片，用以研究瞬態(tài)過程的變化規(guī)律。高速攝影的關鍵技術是如何形成高速和 如何分幅，即如何在極短的時間里得到幾十幅甚至上百幅隨時間變化的圖片。
通常的超高速攝影方法是先捕捉影像，將影像的光束照射到高速旋轉的轉 鏡上，透過高速旋轉的轉鏡能夠形成出射光束的高速偏轉，從而將入射光束高 速偏轉并實現(xiàn)分幅。出射光束的偏轉速度是制約轉鏡類攝影機攝影性能的主要 因素。如何提高出射光束的偏轉速度， 一直是這一領域的研究課題。
到目前為止，有兩種途徑來提高對光束的偏轉速度 一種是將入射光束照 射到高速旋轉的轉鏡上,通過提高轉鏡轉速的方法來提高出射光束的偏轉速度；
二是將入射光束采用多次反射的方法來加速出射光束的偏轉速度。在提高轉鏡 轉速的方法中，可以通過使用高密度的轉鏡材料、改進轉鏡的截面形狀、改進 轉鏡的處理工藝和改善轉鏡的橫向結構等方面來提高轉鏡的轉速，但是這些方
法都難以使得轉鏡的轉速成倍提高(強激光與粒子束，2006， 18(6):1277~1281; SPIE, 2005, Vol. 5638:117 ~ 123 )。而釆用多次反射的方法來加速出射光束的偏 轉速度，偏轉速度可成倍提高。
目前，采用多次反射的方法來加速出射光束的偏轉速度，有兩類方案。第 一類是通過旋轉的多面體反射鏡和靜止的反射鏡相結合，將經(jīng)過轉鏡初始加速 后的光束在反射鏡之間反射后，可以形成4倍、8倍、12倍加速出射光束的偏轉，已有九面體反射鏡和反射棱鏡組合形成4倍加速的應用。第二類是將經(jīng)過 轉鏡初始加速后的光束在成楔形的兩塊反射鏡(可以一動一靜，亦可以兩動)， 在相向或者相反的脈沖式偏轉中，經(jīng)多次反射后可將出射光束加速到16倍(具 體倍數(shù)取決于楔形裝置和入射光束的入射角度)，已有7倍加速的應用(SP正, 2003, Vol. 4948:330 ~ 335 )。但是依靠多次反射對出射光束的加速，有兩個必要 的條件 一是必須有精密的轉動部件，二是要通過反射鏡的多次反射，反射鏡 之間的相互位置關系必須精確，使用這種方法時需要經(jīng)過精密的計算且相應系 統(tǒng)的結構復雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術中的上述光學偏轉加速裝置 中存在結構復雜且偏轉加速的倍數(shù)存在瓶頸的缺陷，提供一種可將光束進行任 意倍數(shù)偏轉加速的光學偏轉加速裝置。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種光學偏轉加速裝置， 包括產(chǎn)生帶偏轉速度的入射光束的入射光源、捕捉出射光束的出射光捕捉裝置 和將入射光束反射至出射光捕捉裝置的反射裝置，其特征在于，所述反射裝置 為曲面反射鏡。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡上供入射光束掃描 的部分曲面為柱面，該柱面的母線與入射光束和出射光束所在平面垂直。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡中柱面的曲率在沿 入射光束的偏轉方向上可以是固定不變的，也可以是連續(xù)變化的。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡中柱面的曲率滿足 以下關系
w = 1 + 2pL.
其中，附為出射光束偏轉速度相對于入射光束偏轉速度所需的倍數(shù)；P為 曲面反射鏡反射點處的曲率；L為入射光線未偏轉時與曲面反射鏡柱面的相交 點到原物偏轉點之間的距離。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡中設有多段所述柱面。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡中柱面的曲率在沿 入射光束的偏轉方向上是常量或連續(xù)增大的變量。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，所述曲面反射鏡中的柱面是圓柱面 或超越曲線柱面。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，還包括設置在入射光源和曲面反射 鏡之間將入射光源產(chǎn)生的入射光束在曲面反射鏡上形成焦線的入射聚焦透鏡。
在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，還包括設置在曲面反射鏡和出射光 捕捉裝置之間將出射光束還原的出射聚焦透鏡。
實施本發(fā)明的光學偏轉加速裝置，具有以下有益效果通過將光學偏轉加 速裝置中的反射裝置設置成曲面反射鏡，當入射光束時序地入射到曲面反射鏡 上的某一點時，根據(jù)反射定律，出射光束的反射角和入射光束的入射角相等， 而入射角和反射角隨曲面反射鏡上反射點處的位置變化或者曲率增大而增大； 當入射光束發(fā)生偏轉時，其反射光束隨之發(fā)生偏轉且其偏轉角度被放大?？筛?據(jù)具體的需要調(diào)節(jié)曲面反射鏡的曲率來進行設計調(diào)整，以獲得不同倍數(shù)的加速 偏轉。改變了現(xiàn)有技術中針對于提高光束偏轉加速的倍數(shù)這一 問題所慣用的兩 種方法利用高速轉鏡反射，提高轉鏡轉速；以及設計位置精確的兩塊相對的 反射鏡，通過增加反射次數(shù)來提高光束偏轉加速的倍數(shù)，開創(chuàng)了解決這一問題 的新思路。同時，這種光學偏轉加速裝置特別適合對電光偏轉的微小角度和古 斯一漢欣位移產(chǎn)生的纟鼓小位移進行光束偏轉加速，這種光束偏轉加速的過程通 常為納秒量級，其才及限過程時間為電光效應的弛豫時間。
由于本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置無需任何才幾械轉動部件或設計位置精 密的反射板進行多次反射，結構簡單；僅僅通過改變曲面反射鏡的曲率就能夠 以10倍甚至更高倍數(shù)的光學偏轉加速倍數(shù)來提高出射光束的偏轉速度,從而把 光束的偏轉速度提高了 l-2個數(shù)量級，大大提高光束偏轉類設備的掃描速度、 攝影頻率、時間空間信息量，進一步滿足爆轟類、激波類等超快過程的研究， 特別是能滿足極速激光飛片和z-磁箍縮等極端物理條件下科學研究的發(fā)展要 求。更進一步地，可設置曲面反射鏡上供入射光束掃描的部分曲面為柱面，且 該柱面的母線與入射光束和出射光束的平面相垂直，使得入射光線在發(fā)生偏轉 時始終與柱面的母線垂直，方便按照預設的倍數(shù)進行柱面曲率的設計。
更進一步地，還可通過調(diào)節(jié)入射光線未偏轉時與曲面反射鏡的相交點到原 物偏轉點之間的距離，來調(diào)整光束偏轉加速的倍數(shù)?？稍O置驅動裝置驅動入射 光源或者曲面反射鏡來改變兩者之間的距離，使之呈加速度遞減。加速度越大， 其光束偏轉加速的倍數(shù)越大。
更進一步地，還可曲面反射鏡上有兩段或兩段以上的上述柱面，以滿足在
連續(xù)高速攝影過程中，對光束偏轉加速的倍數(shù)產(chǎn)生跳躍式變化需要；或者設置 上述柱面的曲率是連續(xù)增大或減小的，使得光束偏轉加速的倍數(shù)產(chǎn)生連續(xù)的變 化。
下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖l是本發(fā)明所述光學偏轉加速裝置的原理結構示意圖2是本發(fā)明所述光學偏轉加速裝置中第 一實施例的結構示意圖3是本發(fā)明所述光學偏轉加速裝置中第二實施例的結構示意圖。
具體實施方式

本發(fā)明主要是將有著微小偏轉或者位移的光束時序地入射到 一個空間曲面 的不同位置，形成不同的入射角，根據(jù)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連續(xù)變化，反射角的大小和反射角的變化范圍受入射光束 和曲面的相對位置及曲面曲率大小的制約，可以進行設計調(diào)整。這樣就形成了 出射光束的掃描和偏轉角度的放大，放大倍數(shù)和結構參數(shù)有關和產(chǎn)生原始微 ,J、偏轉或者位移的系統(tǒng)和空間曲面系統(tǒng)的相對位置有關，和空間曲面的曲率大 小有關。
如圖1所示，在本發(fā)明所述的光學偏轉加速裝置中，入射光束產(chǎn)生原始孩i 小的偏轉角^，入射到半徑為r曲率為p (/7 = l/r)、圓心為C點的圓柱面反射鏡，入射點T點的入射角為e,則出射光束相對于入射光軸OX的偏轉角 / = 20 + ^。在初始偏轉角p很小的情況下(一般指小于1。)，光學偏轉加速的倍
數(shù)m-，-2(l + A)^ + 2p丄，其中Z為原物偏轉點到圓柱反射鏡面頂點的距離。由
此可知，光學偏轉加速的倍數(shù)直接取決于p和i:的變化，當p和丄變大時，即曲 面反射鏡的曲率增大和原物偏轉點到反射鏡嗎頂點之間的距離增大時，光束偏 轉加速的倍數(shù)提高。原理上，光束偏轉加速的倍數(shù)可以無限增大；但p變大時， 曲面反射鏡的半徑變小，難以進行加工；同時，光束偏轉掃描曲面反射鏡時， 需要曲面反射鏡上有足夠的掃描面，因而限制了曲面反射鏡的曲率不能太大。 另一方面，當原物偏轉點到圓柱反射鏡面頂點之間的距離增大時，入射光線會 發(fā)生較大的漫射，會影響到出射光束的強度，進而影響到最終的成像質(zhì)量，因
而限制了丄不能無限增大。 一般說來丄可以設置在10~100之間，這就使得光
束偏轉角度的放大和偏轉速度的加速倍數(shù)可提高1 ~2個量級，從而解決了現(xiàn)有 技術中提高偏轉加速的倍數(shù)的瓶頸問題。另外，這種光學偏轉加速裝置沒有轉 鏡類機械旋轉部件，系統(tǒng)簡單，特別適合與電光偏轉、古斯一漢欣位移相結合， 對原始偏轉和原始位移的光束進行加速偏轉。因為是利用光學的反射定律，所 以屬于光學偏轉加速的范疇，是一種利用空間曲面反射的加速技術。
在圖2示出的本發(fā)明所述光學偏轉加速裝置的第一實施例中，包括入射光 源，曲面反射鏡和出射光捕捉裝置(圖中未示出)。其中，入射光源利用電光偏 轉晶體(EOC) 101產(chǎn)生偏轉，該晶體可以是#4美鈮酸鋰晶體。曲面反射鏡102 為圓柱面反射鏡(CCR),其半徑為r,曲率為/ 。光軸OX通過圓柱面的圓心 C,電光偏轉晶體在光軸OX上到圓柱面反射鏡之間的距離為L,即為原物偏轉 點到圓柱面反射鏡頂點的距離。當電光偏轉晶體101加上高壓脈沖時，在脈沖 前沿的極短時間(納秒級)內(nèi)將光束產(chǎn)生初始偏轉角伊，并4吏得光束具有一定 的偏轉速度。入射光束在圓柱面反射鏡102上掃描，隨著入射角e的變化，其 出射光束的反射角^也在逐步被放大，從而達到放大偏轉角度的目的。此時， 由于圓柱面反射鏡的半徑不變，且圓心通過光軸OX，即在^^皮偏轉之前的入射光束的入射路徑上，并且原物偏轉點到圓柱面反射鏡102頂點的距離L不變， 按照上述公式111 = ， = 2(1+土) = 1 + 2 ^:,則光束偏轉速度被放大的倍數(shù)m是不變
的。此時，可按照需要放大的光束偏轉的倍數(shù)，來設計合理的曲面反射鏡和偏 轉晶體和曲面反射鏡之間的位置。
可設置偏轉晶體101位于沿光軸OX移動的移動裝置上，而曲面反射鏡102 固定，當偏轉晶體101隨移動裝置沿光軸OX移動時，L會發(fā)生變化，進而使 得光束偏轉速度被放大的倍數(shù)m發(fā)生變化。因此，可通過調(diào)節(jié)偏轉晶體101相 對曲面反射鏡102的位置來調(diào)節(jié)光束偏轉速度的放大倍數(shù)m。
也可在曲面反射鏡102上設置多段不同曲率的柱面，這樣可以通過選擇不 同的入射光束的初始偏轉角P,使得入射光束照射到不同曲率的柱面上，從而 使入射光束獲得不同^L大倍數(shù)m的偏轉加速。
曲面反射鏡102還可設置成其他形式的柱面。為了使得整個裝置的結構更 為緊湊，可將曲面反射鏡102設置成超越曲線柱面，該超越曲線柱面的曲率戶沿 入射光束偏轉方向逐步遞減，并且該超越曲線柱面上的曲率中心C沿光軸OX 變化。這樣就可以設置偏轉晶體101和曲面反射鏡102之間的位置相對固定， 即L不變，減少裝置內(nèi)部的移動裝置，使得整體結構更為簡單緊湊?？赏ㄟ^控 制偏轉晶體101來控制入射光束的初始偏轉角p,即入射光束照射到超越曲線 柱面上的曲率可選擇，由此獲得不同放大倍數(shù)的偏轉加速。
在圖3示出的本發(fā)明所述光學偏轉加速裝置的第二實施例中，包括作為入 射光源的調(diào)Q脈沖激光器201，可以是紅寶石激光器和YAG激光器；同樣包 括電光偏轉晶體202、曲面反射鏡203和出射光捕捉裝置(圖中未示出)，還包 括設置在電光偏轉晶體202和曲面反射鏡203之間的入射聚焦透鏡204，以及 設置在曲面反射鏡203和出射光捕捉裝置之間的出射聚焦透鏡205。其中，曲 面反射鏡203可以如上述實施例設置，而入射聚焦透鏡204和出射聚焦透鏡205 的母線與入射光束和出射光束所在的平面垂直。通過設置入射聚焦透鏡204可
以將入射光束在曲面反射鏡203上形成焦線，以便提高反射光束的反射精度； 而出射聚焦透鏡205可以將出射光束還原成所需要的光束，避免出射光束因產(chǎn)生漫射而影響到最終的成像質(zhì)量。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細， 但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域 的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和 改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附 權利要求為準。
權利要求
1、一種光學偏轉加速裝置，包括產(chǎn)生帶偏轉速度的入射光束的入射光源、捕捉出射光束的出射光捕捉裝置和將入射光束反射至出射光捕捉裝置的反射裝置，其特征在于，所述反射裝置為曲面反射鏡。
2、 根據(jù)權利要求1所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡上 供入射光束掃描的部分曲面為柱面，該柱面的母線與入射光束和出射光束所 在平面垂直。
3、 根據(jù)權利要求2所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡 中柱面的曲率在沿入射光束的偏轉方向上可以是固定不變的，也可以是變化 的。
4、 根據(jù)權利要求3所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡中 柱面的曲率滿足以下關系w = 1 + 2pL;其中，附為出射光束偏轉速度相對于入射光束偏轉速度所需的倍數(shù)；P為曲 面反射鏡反射點處的曲率；L為入射光線未偏轉時與曲面反射鏡柱面的相交 點到原物偏轉點之間的距離。
5、 根據(jù)權利要求4所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡中 設有多段所述柱面。
6、 根據(jù)權利要求2所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡 中柱面的曲率在沿入射光束的偏轉方向上是常量或連續(xù)增大的變量。
7、 才艮據(jù)權利要求7所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，所述曲面反射鏡中的柱面是圓柱面或超越曲線柱面。
8、 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，還包 括設置在入射光源和曲面反射鏡之間將入射光源產(chǎn)生的入射光束在曲面反 射鏡上形成焦線的入射聚焦透鏡。
9、 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的光學偏轉加速裝置，其特征在于，還包 括設置在曲面反射鏡和出射光捕捉裝置之間將出射光束還原的出射聚焦透 鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學偏轉加速裝置，包括產(chǎn)生帶偏轉速度的入射光束的入射光源、捕捉出射光束的出射光捕捉裝置和將入射光束反射至出射光捕捉裝置的反射裝置，所述反射裝置為曲面反射鏡。通過將光學偏轉加速裝置中的反射裝置設置成曲面反射鏡，當入射光束時序地入射到曲面反射鏡上的某一點時，而入射角和反射角隨曲面反射鏡上反射點的位置變化或者反射點處的曲率增大而增大；當入射光束發(fā)生很小的原始偏轉時，其反射光束隨之發(fā)生偏轉且其偏轉角度被放大。可通過調(diào)節(jié)曲面反射鏡的曲率來獲得不同倍數(shù)的加速偏轉。改變了現(xiàn)有技術的慣用思路，開創(chuàng)了解決光束偏轉加速這一問題的新思路，對于各種瞬態(tài)過程的科學研究具有重要的意義。
文檔編號G02B26/08GK101620316SQ200910104978
公開日2010年1月6日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權日2009年1月19日
發(fā)明者吳慶陽, 李景鎮(zhèn) 申請人:深圳大學