一种光程折叠器件制造技术

本发明专利技术提供了一种光程折叠器件，在光束输入端、输出端、主平面反射镜与凹面反射镜组成的共焦光学系统基础上，在焦平面上引入一个倾斜子反射镜，改变了入射其上光束的反射角，从而实现光束在共焦光学系统中的多次反射；输出光束能够保持输入光束的光学特性，并具有更高的光程体积比；通过旋转倾斜子反射镜可实现可变光程；通过输入端采用光纤阵列准直器的方式可实现多光束的并行输入；在输入和输出端采用光纤阵列准直器，并使部分尾纤光纤连接，可实现光程的串联，实现更长光程。

An Optical Path Folding Device

The present invention provides an optical path folding device. On the basis of a confocal optical system consisting of an input end, an output end, a main plane mirror and a concave mirror, an inclined sub-mirror is introduced into the focal plane to change the reflection angle of the incident beam, thereby realizing the multiple reflection of the beam in the confocal optical system; the output beam can keep the optics of the input beam. It has higher optical path volume ratio, variable optical path can be achieved by rotating tilted sub-mirror, multi-beam parallel input can be realized by using optical fiber array collimator at the input end, and optical fiber array collimator at the input and output end, and some tail fibers are connected to realize optical path series connection to achieve longer optical path.

【技术实现步骤摘要】
一种光程折叠器件
本专利技术涉及光学传感领域的光程折叠器件，尤其涉及用于气体光学传感，以及可变光程的光程折叠器件。
技术介绍
在有限体积内，实现光束的多次反射，使光束走过相对较长的光程，这样的光学器件在光学传感领域，特别是针对特种气体的传感和分析领域有重要的应用。目前半导体可调激光吸收光谱分析(以下简称TDLAS)和傅里叶变换红外光谱分析(以下简称FTIR)是两个主流的技术路线，前者主要基于可调激光在近红外波段进行光谱分析，后者采用宽谱光源通过傅里叶变换在中远红外进行光谱分析。为了达到足够的探测精度，无论TDLAS还是FTIR都需要一个长光程气室，以使光束在所需分析气体内传输足够的光程以增强吸收谱线，为了使探测仪器仪表的体积在可接受范围内，长光程气室需采用光程折叠器件的形式，以在有限体积内尽可能多次反射光束，以达到足够的光程。针对TDLAS应用，由于激光束的发散角小，工业界普遍采用赫里奥特室结构(APPLIEDOPTICS/Vol.3，No.4/April1964)，如图1所示，赫里奥特室(100)采用两个具有相同焦距f的凹面反射镜(103、104)形成反射腔，当输入端(101)输入光束的入射方向和位置、两个凹面反射镜沿z方向的距离d满足一定条件时(一般取0＜d＜2f或2f＜d＜4f的离焦配置)，光束将在两个凹面反射镜来回多次反射，最后从输出端(102)输出。图2表所示两个凹面反射镜(203、204)上，反射点在x-y平面上形成圆形的光斑轨迹(201)。针对FTIR应用，由于光源需要非相干的宽谱热光源，光束发散角大，赫里奥特室的性能不能满足要求，这是由于赫里奥特室必需的离焦配置特性导致，离焦系统多次反射后非相干光束发散角无法收敛，工业界则普遍采用传统的怀特室结构(White，J.U.“LongOpticalPathsofLargeAperture”J.Opt.Soc.Am.，Vol.32，pp285-288，May1942)，如图3所示，怀特室(300)由三个具有相同曲率半径和焦距f的凹面反射镜组成，主反射镜(301)位于一侧，两个次反射镜(302、303)位于主反射镜相对一侧，输入光束(304)和输出光束(305)位于主反射镜两侧。两个次反射镜带有一定倾角，主反射镜与两个次反射镜的距离设置为2f，使光束在主反射镜和两个次反射镜来回多次反射成像，最后从主反射镜一侧输出。光斑在主反射镜上的轨迹如图4所示，通常输入光束位置(404)偏离主反射镜(401)轴心线(402)，使得光斑分布在两排轨迹(403、406)上，以获得最大的反射次数。输出光束位置(405)通常在与输入光束同排轨迹(406)的另一侧。随着业界对气体探测精度要求的提升，对光程气室的要求也进一步提高，需要在有限的体积内实现更长的光程(20米以上，乃至100米以上)，赫里奥特室和怀特室很难在一定体积内实现更多次的反射。基于赫里奥特室和怀特室有很多改进的设计，如赫里奥特本人提出的用像散透镜实现更多的反射次数(“FoldedOpticalDelayLines”，Appl.Opt.，Vol.4，No.8，pp883-889，1965)，但存在像散透镜很难加工的问题，虽然后续有通过旋转一个像散透镜以降低加工精度要求(美国专利5291265，1994)，仍旧没有解决像散透镜高昂的加工成本问题；Joel.A.Silver等人提出用双柱面镜实现密集的光斑分布即更多的反射次数(美国专利7477377，2009)，但由于双柱面的非旋转对称性质，光束在多次反射后不再具有与输入光束相同的光束特性，在需要光束特性(光束半径、发散半角等)保持的应用场景中无法应用。虽然也有一些基于怀特室的改进方案，如中国专利“折叠式倍光程多通气体池”(CN102053063B)在怀特室输出端采用一个角反射镜，反射输出光束使之沿原路返回(偏离一个小角度)，光程得到加倍，但输入输出端过于靠近，需要更多的空间分离输入和输出光束；同时，怀特室使用了带角度的次反射镜，光束多次反射后，像差对输出光束特性的影响较大。
技术实现思路
针对业界对光程折叠器件更长光程、更高光程/体积比，以及在长光程传输后光束特性仍保持输入状态的需求，本专利技术提供了这样的一种光程折叠器件。如图5所示，本专利技术提供的一种光程折叠器件(500)，包含：一个输入端(501)，用于输入光束；一个输出端(502)，用于输出光束；一个主平面反射镜(504)；一个凹面反射镜(503)，具有一个焦平面(506)，该焦平面到所述凹面反射镜的距离(507)为凹面反射镜的焦距f；该焦平面还具有一个原点(509)，是所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴(508)在其上的交点。一个倾斜子反射镜(505)，为一个小平面反射镜，其法线与所述主平面反射镜的法线构成倾斜角θ；所述输入端、输出端、主平面反射镜、倾斜子反射镜共面，位于所述凹面反射镜的焦平面上；光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、主平面反射镜和倾斜子反射镜之间多次反射，最后从所述输出端输出。从光学特性来看，由于采用了共焦系统，在焦平面(506)上，光束的半径和发散半角将在两组取值间变换，与凹面反射镜反射次数无关，只与其奇偶性有关。设输入端输入光束的半径为A0，发散半角为β0，经过一次凹面反射镜反射到达焦平面后光束的半径为A1，发散角半为β1，有如下关系：A1＝β0·f(1)β1＝A0/f(2)经过两次凹面反射镜反射到达焦平面后光束的半径为A2，发散半角为β2，可以通过应用(1)和(2)式两次得到：A2＝β1·f＝(A0/f)·f＝A0(3)β2＝A1/f＝(β0·f)/f＝β0(4)从(3)和(4)式可以看到，两次凹面反射镜反射到达焦平面后光束恢复了输入光束的特性(A0，β0)，容易看到经过偶数次凹面反射镜反射，光束的特性将与输入光束相同；对奇数次凹面反射镜反射，光束的特性将取(1)和(2)所得到的半径和发散半角(A1，β1)。对于输入光束主光线位置和角度(相对主平面反射镜与凹面反射镜组成的光轴)的变换，在没有引入倾斜子反射镜(505)的情况下，可以证明在经过四次凹面反射镜反射到达焦平面后，光束主光线位置与输入光束主光线位置重合，角度与输入光束主光线角度关于光轴成镜像对称；由于光束位置与输入端位置重合，光束不再被主平面反射镜反射，而通过输入端输出，因此在没有引入倾斜子反射镜(505)的情况下，光束最多被凹面反射镜反射四次，总光程收到很大限制。本专利技术在凹面反射镜(503)和主平面反射镜(504)组成的共焦光学系统上，引入一个倾斜子反射镜(505)，其位置偏离原点(509)一定距离，并位于输入光束经凹面反射镜第一次反射或第三次反射到达焦平面的位置，因此改变了光束的反射角度，从而经凹面反射镜反射后，改变了随后偶数次反射光束在焦平面上的位置，而奇数次反射光束在焦平面上的位置不变，使得所有光束的位置不再与输入端冲突，实现光束的多次反射。容易证明，如图6a所示，引入倾斜子反射镜(605)后，在主平面镜(604)所处的焦平面(606)上，经凹面反射镜1+4n(n＝0，1，2，3……)次反射后，光束的位置在同一个位置，记为P1(611)；经凹面反射镜3+4n(n＝0，1，2，3……)次反射后，光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光程折叠器件，其特征在于，包含有：一个输入端，用于输入光束；一个输出端，用于输出光束；一个主平面反射镜；一个凹面反射镜，具有一个焦平面，该焦平面到所述凹面反射镜的距离为凹面反射镜的焦距f；该焦平面还具有一个原点，是所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在其上的交点；一个倾斜子反射镜，为一个小平面反射镜，其法线与所述主平面反射镜的法线构成倾斜角θ；所述输入端、输出端、主平面反射镜、倾斜子反射镜共面，位于所述凹面反射镜的焦平面上；光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、主平面反射镜和倾斜子反射镜之间多次反射，最后从所述输出端输出。

【技术特征摘要】
1.一种光程折叠器件，其特征在于，包含有：一个输入端，用于输入光束；一个输出端，用于输出光束；一个主平面反射镜；一个凹面反射镜，具有一个焦平面，该焦平面到所述凹面反射镜的距离为凹面反射镜的焦距f；该焦平面还具有一个原点，是所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统光轴在其上的交点；一个倾斜子反射镜，为一个小平面反射镜，其法线与所述主平面反射镜的法线构成倾斜角θ；所述输入端、输出端、主平面反射镜、倾斜子反射镜共面，位于所述凹面反射镜的焦平面上；光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、主平面反射镜和倾斜子反射镜之间多次反射，最后从所述输出端输出。2.根据权利要求1所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述输入光束的半径为A0，发散半角为β0；所述倾斜子反射镜位置偏离所述焦平面原点的距离大于输入光束发散半角与凹面反射镜焦距之积β0·f。3.根据权利要求2所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述倾斜子反射镜位置位于输入光束经所述凹面反射镜第一次或第三次反射后到达焦平面的位置，其通光直径大于2β0·f。4.根据权利要求3所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述倾斜子反射镜倾斜角方向的选取使得经过偶数次凹面反射镜反射后，光束到达焦平面时其中心到所述倾斜子反射镜边界的距离大于输入光束的半径A0。5.根据权利要求1所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述输入端和输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或者开角。6.根据权利要求1所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述输出端选在输入光束被所述凹面反射镜4倍正整数次反射后到达焦平面的位置。7.根据权利要求1所述的一种光程折叠器件，其特征在于，所述输入端是带有尾纤的第一光纤准直器，光束通过所述第一光纤准直器输入；所述输出端是带有...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，许辉杰，温俊华，
申请(专利权)人：徐州旭海光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32