基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲光譜測量技術領域，涉及縮短太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)測譜時間的問題，具體指的是一種基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線。
【背景技術】
[0002]太赫茲波是指頻率在0.1THz至1THz之間的電磁波，具有光子能量低、對非極性物質穿透性強、瞬時性好、大帶寬、可同時測量振幅和相位信息、高信噪比、光子能量處于許多生物大分子的振動能級和轉動能級以及分子間的相互作用能級范圍等特點。利用太赫茲的上述特性制作的太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)，可以測量電介質材料、半導體材料、氣體分子、超導材料及生物大分子等材料在太赫茲波段的光譜信息，成為傅里葉變換紅外光譜儀的補充，在生物學、醫(yī)學、微電子學、農(nóng)業(yè)、國防、航空等領域表現(xiàn)出了極大的應用潛力。光學延遲線是通過光學手段實現(xiàn)相干光脈沖之間精確可控的相對時間延遲的裝置，是太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)中實現(xiàn)快速測譜和成像的關鍵部件。
[0003]目前實驗室內最常用的光學延遲線，多數(shù)是基于步進電機驅動絲杠從而推動固定有背向反射器的滑動平臺沿導軌往返運動實現(xiàn)的。由于步進電機在啟停反轉時，需要克服機械慣性頻繁加減速，因此很難實現(xiàn)高速掃描，難以實用化。中國專利“基于傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的周期掃描光學延遲線”(專利申請?zhí)?200810154189.4)提出了一種利用傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的周期旋轉，實現(xiàn)入射光束的固定角度偏轉和周期性光程改變，并利用背向反射鏡實現(xiàn)光束的原路返回，實現(xiàn)光學時間延遲的方案。該方案雖然利用反射鏡的周期旋轉代替了背向器的直線往復運動，提高了掃描速度，但其同時存在以下問題:
[0004](I)因傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡反射面為曲面，反射光存在畸變；
[0005](2)入射光和反射光存在夾角，需要額外在傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的反射光路上，布置背向反射鏡才能使光路沿原路返回，導致系統(tǒng)結構不緊湊；
[0006](3)因為傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的面為曲面，且光學反射鏡對于鏡面的要求較高，因此鏡面的加工的精度要求極高，加工費用昂貴；
[0007](4)由于不對稱反射鏡的重心并不在其旋轉軸線上，在電機驅動高速旋轉時，會產(chǎn)生振動導致光學延遲線工作的不穩(wěn)定。
[0008]因此在太赫茲時域光譜測量領域，對可同時實現(xiàn)快速掃描、無畸變、延遲范圍大、重復精度高且結構緊湊的光學延遲線的需要十分迫切。

【發(fā)明內容】

[0009]針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，該光學延遲線掃描速度快、結構緊湊、重復精度高、無畸變、加工工藝簡單、可長時間的連續(xù)穩(wěn)定工作。
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方法如下:
[0011]—種基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，包括螺旋階梯反射鏡和電機，螺旋階梯反射鏡為不規(guī)則圓柱形，圓柱形一端面為垂直于圓柱母線的平面結構，另一端面為沿圓周階梯排列的多個小型平面反射鏡，所述小型平面反射鏡同圓柱形呈平面結構的一端面平行，小型平面反射鏡的鏡面同圓柱形呈平面結構的一端面的距離呈等差數(shù)列排列，螺旋階梯反射鏡安裝在電機的輸出軸上，由電機驅動螺旋階梯平面反射鏡繞圓柱的軸線轉動。
[0012]所述螺旋階梯反射鏡的重心在圓柱軸線上，減小旋轉時的轉動慣量。
[0013]所述螺旋階梯反射鏡是由高強度、低密度金屬或光學微晶玻璃的輕量化結構材料制成。
[0014]所述螺旋階梯反射鏡材料為鋁合金、鎂合金、鈦合金。
[0015]所述螺旋階梯反射鏡的圓柱直徑范圍為lOmm-lOOmm。
[0016]沿圓周階梯分布的小型平面反射鏡的個數(shù)為5-500個。
[0017]相鄰小型平面反射鏡同圓柱形呈平面結構的一端面的距離差范圍為I μ m-200 μ m。
[0018]所述電機為中空軸電機，以增加電機輸出軸的同軸度。
[0019]所述螺旋階梯反射鏡通過螺釘直接安裝在電機輸出軸的一端，不需另外使用軸承和軸承座，增加結構緊湊度。
[0020]所述電機固定在底座上。
[0021]本發(fā)明所提供的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線的工作原理為:利用螺旋階梯反射鏡繞其軸線的旋轉，實現(xiàn)以固定方向入射在螺旋階梯反射鏡小型平面鏡上的脈沖光以垂直角度反射原路返回，同螺旋階梯反射鏡另一端面的距離呈等差數(shù)列排列的多個小型反射鏡，使得反射光線的光程發(fā)生周期性改變，以此實現(xiàn)光學延遲線的快速掃描。
[0022]相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0023]1、采用螺旋階梯反射鏡轉動實現(xiàn)快速掃描，避免了絲杠傳動時電機頻繁的啟停，可以實現(xiàn)快速的掃描，重復精度高；
[0024]2、采用階梯分布的多個小型平面反射鏡代替曲面反射鏡，反射光線直接原路返回，無需添加背向反射鏡校正，使得結構緊湊，同時平面反射鏡加工簡單，精度更高，簡化了加工工藝，消除了曲面反射時產(chǎn)生的畸變；
[0025]3、對螺旋階梯反射鏡進行輕量化減重和重心優(yōu)化設計，使得螺旋階梯反射鏡的轉動慣量更小，運行更加平穩(wěn)；
[0026]4、采用中空軸電機直接驅動螺旋階梯反射鏡的方式，不需要使用軸承和軸承座，使得結構更加緊湊。
【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0028]圖1是本發(fā)明所提供的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線的三維結構圖；
[0029]圖2是基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線中螺旋階梯反射鏡的三維結構圖；
[0030]圖3是基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線中使用的中空軸電機的結構圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖1、附圖2和附圖3對本發(fā)明的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線的一個實施例的【具體實施方式】作詳細說明:
[0032]如圖1所示，本實施例中，基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，包括螺旋階梯反射鏡1、電機2和底座3。如圖2所示，螺旋階梯反射鏡I為不規(guī)則圓柱形，圓柱形一個端面Ia為垂直于圓柱母線的平面結構，另一端面為沿圓周階梯排列的30個小型平面反射鏡lb，每個小型平面反射鏡Ib都同端面Ia平行，小型平面反射鏡Ib鏡面同端面Ia的距離呈等差數(shù)列排列。螺旋階梯反射鏡I安裝在圖3所示電機2的輸出軸2b上，電機2驅動螺旋階梯平面反射鏡I繞圓柱的軸線轉動，電機2固定在底座3上。
[0033]本實施例中，螺旋階梯反射鏡I的材料為高強度、低密度的金屬材料鎂合金，結構為輕量化結構。螺旋階梯反射鏡I鏡體上開有減重孔lc，并對減重孔Ic的大小位置等進行了結構優(yōu)化設計，使螺旋階梯反射鏡I的重心在圓柱軸線上，以減小旋轉時的轉動慣量，降低驅動電機2的最小尺寸，增加工作的平穩(wěn)性。本實施例中螺旋階梯反射鏡I圓柱直徑為40mm，沿圓周階梯分布的小型平面反射鏡的個數(shù)為30個，相鄰小型平面反射鏡同端面Ia之間的距離差為50μπι。電機2為中空軸電機，以增加電機輸出軸2b同電機2a之間的同軸度精度，同時，螺旋階梯反射鏡I可以通過Id和電機輸出軸2b中心定位后，利用固定孔Ie通過螺釘直接安裝在電機輸出軸2b的一端，不需另外使用軸承和軸承座，增加了結構的緊湊度。
[0034]本實施例中，光學延遲線利用螺旋階梯反射鏡I繞其軸線的旋轉，實現(xiàn)以固定方向入射在螺旋階梯反射鏡小型平面反射鏡Ib上的脈沖光以垂直角度反射原路返回，同螺旋階梯反射鏡I 一端面Ia的距離呈等差數(shù)列排列的多個小型平面反射鏡lb，使得反射光線的光程發(fā)生周期性改變，以此實現(xiàn)光學延遲線的快速掃描。
[0035]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。
【主權項】
1.一種基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，包括螺旋階梯反射鏡和電機，螺旋階梯反射鏡為不規(guī)則圓柱形，圓柱形一端面為垂直于圓柱母線的平面結構，另一端面為沿圓周階梯排列的多個小型平面反射鏡，所述小型平面反射鏡同圓柱形呈平面結構的一端面平行，小型平面反射鏡的鏡面同圓柱形呈平面結構的一端面的距離呈等差數(shù)列排列，螺旋階梯反射鏡安裝在電機的輸出軸上，由電機驅動螺旋階梯平面反射鏡繞圓柱的軸線轉動。2.根據(jù)權利要求1所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述螺旋階梯反射鏡的重心在圓柱軸線上，減小旋轉時的轉動慣量。3.根據(jù)權利要求2所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述螺旋階梯反射鏡是由高強度、低密度金屬或光學微晶玻璃的輕量化結構材料制成。4.根據(jù)權利要求3所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述螺旋階梯反射鏡所采用的金屬材料為鋁合金、鎂合金、鈦合金。5.根據(jù)權利要求2所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述螺旋階梯反射鏡的圓柱直徑范圍為1mm-1OOmm。6.根據(jù)權利要求5所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，沿圓周階梯分布的小型平面反射鏡的個數(shù)為5-500個。7.根據(jù)權利要求5所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，相鄰小型平面反射鏡同圓柱形呈平面結構的一端面的距離差范圍為I μπι-200 μπι。8.根據(jù)權利要求1所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述電機為中空軸電機，以增加電機輸出軸的同軸度。9.根據(jù)權利要求8所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述螺旋階梯反射鏡通過螺釘直接安裝在電機輸出軸的一端，不需另外使用軸承和軸承座，增加結構緊湊度。10.根據(jù)權利要求1所述的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，其特征在于，所述電機固定在底座上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線，包括螺旋階梯反射鏡和電機，螺旋階梯反射鏡為不規(guī)則圓柱形，圓柱形一端面為垂直于圓柱母線的平面結構，另一端面為沿圓周階梯排列的多個小型平面反射鏡，所述小型平面反射鏡同圓柱形呈平面結構的一端面平行，小型平面反射鏡的鏡面同圓柱形呈平面結構的一端面的距離呈等差數(shù)列排列，螺旋階梯反射鏡安裝在電機的輸出軸上，由電機驅動螺旋階梯平面反射鏡繞圓柱的軸線轉動，本發(fā)明的基于螺旋階梯反射鏡的快速掃描光學延遲線掃描速度快、結構緊湊、重復精度高、無畸變、加工工藝簡單、可長時間的連續(xù)穩(wěn)定工作，有助于推動太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)的實用化。
【IPC分類】G02B26/10
【公開號】CN105044907
【申請?zhí)枴緾N201510408493
【發(fā)明人】關冉, 鄒鍶, 侯麗偉, 謝巍, 臧元章, 俞旭輝, 王曉東, 周德亮, 王兵兵, 劉素芳, 魯斌, 汪瑞
【申請人】中國電子科技集團公司第五十研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月13日