本发明专利技术公开一种高速光纤的光程延迟装置及光程延迟方法，装置包括：激光器、多个角锥反射棱镜、固定圆盘、光纤准直器、光学扫描动子及控制分析组件；固定圆盘沿周向均匀设置多个棱镜安装点，角锥反射棱镜对应安装在棱镜安装点上，且所有角锥反射棱镜共圆，光学扫描动子设置在固定圆盘的圆心位置，且光学扫描动子可进行周向旋转，光纤准直器设置在光学扫描动子的垂直轴线方向，控制分析组件接收光学扫描动子信号分析光程的延迟数据。共轴入射光学耦合部件主动扫描，角度诱导延迟光程的扫描，尺寸、数量等配置可自由改变的角锥反射棱镜结构设计，实现延时系统的负载轻量化、高精度定位及高动态稳定性，扩大延迟范围和适用的工作频率。扩大延迟范围和适用的工作频率。扩大延迟范围和适用的工作频率。
【技术实现步骤摘要】
一种高速光纤的光程延迟装置及延迟方法
[0001]本专利技术属于太赫兹高速时域光谱和成像
，具体涉及一种高速光纤的光程延迟装置及延迟方法。
技术介绍
[0002]光纤延迟线作为太赫兹时域光谱(THz
‑
TDS)检测设备的核心部件，其性能直接影响了检测成像质量。通过光程的改变将太赫兹波在时域上进行切割，然后通过算法将太赫兹波绘制出来。目前常用的光纤延迟技术为基于异步光学采样技术和机械延迟线技术。
[0003]基于异步光学采样技术是超快光谱学与飞秒激光相结合的一项新兴技术，该技术采用两台锁模激光器，一台作为泵浦光，另一台为探测光，两束激光脉冲的重复频率有一个固定的差值，每个脉冲之间的相对时间延迟从0到泵浦脉冲重复频率的倒数呈线性增长，即假设在某个脉冲时THz脉冲和探测光的脉冲在时间上重合，由于二者的重复频率不同，则在下一脉冲时两个脉冲之间有个时间差，以后的每个脉冲都依次增加一个时间差，直到二者再次重合为止，从而实现探测光对一个太赫兹脉冲的取样测量。
[0004]如专利CN113932729A给出了一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法，光梳光场生成模块对其中一个光频梳出射的测试光进行空间啁啾，形成多波长的一维测试光场，再经过平移或转动装置形成正交的测试光场。利用该光场的强度、空间位置以及相位间的对应关系，实现太赫兹天线形面的高精度检测。利用与测试光存在微小重复频率差的另一台光频梳，对测试光场进行异步光学采样，再通过高精度的三维结构光场重建实现太赫兹天线形面的复原，不仅为实现天赫兹天线高精度形面检测提供了可靠的依据，也为高增益星载太赫兹天线的设计实现提供了技术支持。
[0005]以上技术解决了空间光与光波导耦合以及机械惯性带来的效率问题，让THz
‑
TDS光谱分辨率更高、成谱更快、结构更紧凑，但基于光异步采样的THz
‑
TDS由于要采用两个具有相近重复频率但有略有失谐的飞秒激光器构建，同时还要配合复杂精密的电路反馈控制回路，实现难度大，成本一直居高不下，在较长时间继续影响其推广发展。
[0006]基于机械高速延迟线是THz
‑
TDS系统应用最早、使用最广的技术，其价格友好，包括旋转延迟方案、振荡延迟方案以及高速直线电机延迟方案。其中，旋转延迟方案在可实现的最高速率远大于另外两种方案，该方案最高可实现上千Hz的延迟扫描频率。
[0007]但传统的机械高速延迟系统由于机械惯性的原因不能实现快速扫描，为实现高速扫描需要增加旋转动子上的反射光学器件数量，这就要增加动子的尺寸和质量，同时提高旋转电机的转速。因此，旋转延迟线的机械惯性、高负载下的动平衡以及电机高速运转下的动态稳定水平是制约旋转延迟线方案继续提速的根本原因。
[0008]因此，如何设计一种高速光纤的光程延迟装置及方法，以实现高精准、高动态稳定且适应大范围、多场景的光纤延迟需求是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
[0009]针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种高速光纤的光程延迟装置及延迟方法，通过设置光学扫描动子及固定圆盘、沿固定圆盘周向排布的角锥反射棱镜，实现光程延迟。本专利技术利用共轴入射光学耦合部件主动扫描方式，通过角度诱导延迟实现光程的扫描，打破了传统旋转延迟线反射光学器件作为动子的固有思路，通过尺寸、数量等配置可自由改变的固定式角锥棱镜结构设计，实现延时系统的负载轻量化、高精度定位及高动态稳定性，并可获取不同延迟范围、不同工作频率的高速光纤延迟线，克服了传统机械延迟装置所受到的机械惯性、高负载下的动平衡以及电机高速运转下的动态稳定水平限制问题，进而实现高达数千赫兹的扫描速率。
[0010]第一方面，本专利技术提供一种高速光纤的光程延迟装置，包括：激光器、多个角锥反射棱镜、固定圆盘、光纤准直器、光学扫描动子及控制分析组件；
[0011]固定圆盘沿周向均匀设置多个棱镜安装点，角锥反射棱镜对应安装在棱镜安装点上，且所有角锥反射棱镜共圆，光学扫描动子设置在固定圆盘的圆心位置，且光学扫描动子可进行周向旋转，光纤准直器设置在光学扫描动子的垂直轴线方向，控制分析组件接收光学扫描动子的信号分析光程延迟数据；
[0012]激光器发出的激光经光纤准直器输出垂直平行光线，垂直入射到光学扫描动子，光学扫描动子将垂直入射的光线变为平面光线输出，平面光线自固定圆盘的圆心沿半径传播，入射到角锥反射棱镜，并由角锥反射棱镜的三次反射后，回到光学扫描动子，光学扫描动子再将平面光线变为垂直平行光线，返回光纤准直器，光纤准直器耦合收集后完成光程延迟。
[0013]进一步的，光学扫描动子包括入射光学动子反射镜、平面转向反射镜、角度编码器及旋转电机，入射光学动子反射镜、平面转向反射镜、固定圆盘及各个角锥反射棱镜均处于同一平面，入射光学动子反射镜及平面转向反射镜均可进行周向旋转，平面转向反射镜进行垂直平行光线与平面光线之间的相互转向，入射光学动子反射镜将角锥反射棱镜反射的光线重新反射回角锥反射棱镜，旋转电机为入射光学动子反射镜和平面转向反射镜的周向旋转提供动力，角度编码器实时采集旋转电机的旋转角度，并向控制分析组件传输信号。
[0014]进一步的，平面转向反射镜、入射光学动子反射镜、角度编码器及旋转电机沿垂直轴线方向依次排布，入射光学动子反射镜包括平面结构和垂直结构，平面结构固定平面转向反射镜，且平面转向反射镜位于平面结构的中心位置，用于反射的面与固定圆盘的平面呈45
°
的倾斜，将从光纤准直器垂直入射的光线变为平面光线输出，垂直结构为分设在平面结构两端的片状结构，垂直结构的中心位置设有与平面转向反射镜沿固定圆盘半径方向对应的中心孔。
[0015]进一步的，角锥反射棱镜的入射端面沿固定圆盘半径朝向光学扫描动子，角锥反射棱镜的锥顶沿固定圆盘半径背向光学扫描动子。
[0016]进一步的，固定圆盘的尺寸与角锥反射棱镜的尺寸均为预先设定，光程差与预先设定的角锥反射棱镜的尺寸关系如下：
[0017][0018]其中，Δd为入射光线正入射和斜入射时的光程差，n为角锥反射棱镜的相对折射
率，L1为角锥反射棱镜锥顶到角锥反射棱镜入射端面的垂直距离，L2为角锥反射棱镜入射端面到折射光线与角锥反射棱镜斜面交点的垂直距离，α为入射光线与角锥反射棱镜的轴线之间的夹角。
[0019]第二方面，本专利技术还提供一种高速光纤的光程延迟方法，采用如上述的高速光纤的光程延迟装置，包括如下步骤：
[0020]开启激光器，经光纤准直器输出垂直平行光线，垂直入射到光学扫描动子；
[0021]光学扫描动子在沿周向旋转过程中，将垂直入射的光线变为平面光线输出，平面光线自固定圆盘的圆心沿半径传播，入射到角锥反射棱镜，其中，固定圆盘和角锥反射棱镜的尺寸为预先设定；
[0022]平面光线经角锥反射棱镜的三次反射后，回到光学扫描动子；
[0023]光学扫描动子再将平面光线变为垂直平行光线，返回光纤准直器；
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高速光纤的光程延迟装置，其特征在于，包括：激光器、多个角锥反射棱镜、固定圆盘、光纤准直器、光学扫描动子及控制分析组件；固定圆盘沿周向均匀设置多个棱镜安装点，角锥反射棱镜对应安装在棱镜安装点上，且所有角锥反射棱镜共圆，光学扫描动子设置在固定圆盘的圆心位置，且光学扫描动子可进行周向旋转，光纤准直器设置在光学扫描动子的垂直轴线方向，控制分析组件接收光学扫描动子的信号分析光程延迟数据；激光器发出的激光经光纤准直器输出垂直平行光线，垂直入射到光学扫描动子，光学扫描动子将垂直入射的光线变为平面光线输出，平面光线自固定圆盘的圆心沿半径传播，入射到角锥反射棱镜，并由角锥反射棱镜的三次反射后，回到光学扫描动子，光学扫描动子再将平面光线变为垂直平行光线，返回光纤准直器，光纤准直器耦合收集后完成光程延迟。2.如权利要求1所述的光程延迟装置，其特征在于，光学扫描动子包括入射光学动子反射镜、平面转向反射镜、角度编码器及旋转电机，入射光学动子反射镜、平面转向反射镜、固定圆盘及各个角锥反射棱镜均处于同一平面，入射光学动子反射镜及平面转向反射镜均可进行周向旋转，平面转向反射镜进行垂直平行光线与平面光线之间的相互转向，入射光学动子反射镜将角锥反射棱镜反射的光线重新反射回角锥反射棱镜，旋转电机为入射光学动子反射镜和平面转向反射镜的周向旋转提供动力，角度编码器实时采集旋转电机的旋转角度，并向控制分析组件传输信号。3.如权利要求2所述的光程延迟装置，其特征在于，平面转向反射镜、入射光学动子反射镜、角度编码器及旋转电机沿垂直轴线方向依次排布，入射光学动子反射镜包括平面结构和垂直结构，平面结构固定平面转向反射镜，且平面转向反射镜位于平面结构的中心位置，用于反射的面与固定圆盘的平面呈45
°
的倾斜，将从光纤准直器垂直入射的光线变为平面光线输出，垂直结构为分设在平面结构两端的片状结构，垂直结构的中心位置设有与平面转向反射镜沿固定圆盘半径方向对应的中心孔。4.如权利要求2所述的光程延迟装置，其特征在于，角锥反射棱镜的入射端面沿固定圆盘半径朝向光学扫描动子，角锥反射棱镜的锥顶沿固定圆盘半径背向光学扫描动子。5.如权利要求4所述的光程延迟装置，其特征在于，固定圆盘的尺寸与角锥反射棱镜的尺寸均为预先设定，光程差与预先设定的角锥反射棱镜的尺寸关系如下：其中，Δd为入射光线正入射和斜入射时的光程差，n为角锥反射棱镜的相对折射率，L1为角锥反射棱镜锥顶到角锥反射棱镜入射端面的垂直距离，L2为角锥反射棱镜入射端面到折射光线与角锥反射棱镜斜面交点的垂直距离，α为入射光线与角锥反射棱镜的轴线之间的夹角。6.一种高速光纤的光程延迟方法，采用如权利要求1
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5任一所述的高速光纤的光程延迟装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘建军，郭东亮，陈大兵，孙磊，杨立恒，肖鹏，黄强，何光华，李鸿泽，齐金龙，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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