一种密集光程折叠器件制造技术

技术编号：40579286 阅读：4 留言：0更新日期：2024-03-06 17:21

本申请涉及光学传感领域，提供一种密集光程折叠器件，采用平面反射镜和具有像差的主凹面反射镜构成反射腔，并引入子凹面反射镜，将子凹面反射镜设置于平面反射镜，使平面反射镜的反射面和子凹面反射镜的光心中的至少一个不在主凹面反射镜的焦平面上，由于主凹面反射镜具有像差，子凹面反射镜反射的光信号在反射腔内被多次反射之后，再次回到子凹面反射镜时，位置和角度不重合；又由于子凹面反射镜的不同位置的法线方向不同，光信号再次回到子凹面反射镜之后，反射方向与前一次不同、偏离原轨迹方向，在反射腔内形成半闭合的轨迹，光信号从输出端输出之后，在反射腔内的总光程相比于现有的光程折叠器件提升10倍以上，具有更高的光程体积比。

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【技术实现步骤摘要】

本申请涉及光学传感领域，尤其涉及一种密集光程折叠器件。

技术介绍

1、在有限体积内，实现光信号的多次反射，使光信号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。

2、目前，半导体可调激光吸收光谱(tunable diode laser absorptionspectroscopy，tdlas)技术和傅里叶变换红外光谱(fourier transform infra-red，ftir)技术是两个主流的技术路线，前者主要基于可调激光光源在近红外波段进行光谱分析，后者采用宽光谱光源通过傅里叶变换在中远红外波段进行光谱分析。

3、为了达到足够的探测精度，无论是tdlas技术还是ftir技术都需要使用长光程气室，以使光信号在需要分析的气体内传输足够的光程以增强气体的吸收光谱，为了使探测仪器的体积在可接受范围内，长光程气室通常需采用光程折叠器件，以在有限的体积内尽可能的多次反射光信号，以达到足够的光程。

4、针对tdlas应用，由于激光信号的发散角小，工业界普遍采用赫里奥特室结构，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输入光信号的输入方向和位置、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)，光信号将在两个凹面反射镜之间来回多次反射，最后从输出端102输出。图2表示两个凹面反射镜203、204上，反射点在x-y平面上形成圆形的光斑轨迹201。

5、针对ftir应用，由于光源需要使用非相干的宽光谱热光源，光信号的发散角大，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，非相干光信号在离焦系统中多次反射后，发散角无法收敛，因此，工业界普遍采用传统的怀特室结构，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位于主反射镜的相对一侧，输入光信号304和输出光信号305位于主反射镜两侧，两个次反射镜302、303带有一定倾角，主反射镜301与两个次反射镜302、303之间的距离设置为2f，使光信号在主反射镜301和两个次反射镜302、303之间来回多次反射成像，最后从主反射镜301一侧输出。光斑在主反射镜301上的轨迹如图4所示，通常输入光信号的位置404偏离主反射镜401的轴心线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。输出光信号的位置405通常在与输入光信号同排的轨迹406的另一侧。

6、随着工业界对气体探测精度要求的提升，对长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，但存在像散透镜很难加工的问题，虽然后续有通过旋转像散透镜以降低加工精度要求，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，但由于双柱面的非旋转对称性质，光信号在多次反射后不再具有与输入光信号相同的光信号特性，在需要光信号特性(光信号半径、发散半角等)保持的应用场景中无法应用。

7、其他改进设计，如图5所示的光程折叠器件500，包括输入端501、输出端502、凹面反射镜503、主平面反射镜504和倾斜反射镜505，凹面反射镜503的焦平面506到凹面反射镜503的距离507为凹面反射镜503的焦距；焦平面506的原点509是主平面反射镜504与凹面反射镜503组成的光学系统光轴508在焦平面506上的交点，第一倾斜子反射镜505的法线与主平面反射镜504的法线之间的倾斜角不为零；光束从输入端501输入，通过凹面反射镜503、主平面反射镜504和倾斜反射镜505之间的多次反射后，从输出端502输出。光程折叠器件500相比于赫里奥特室100和怀特室300，可以达到更多的反射次数即更长的光程，以及更高的光程体积比，但是其对光程和光程体积比的提升倍数依然是有限的，不能满足工业界对更长光程和更大光程体积比的要求。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的之一在于：提供一种密集光程折叠器件，相比于现有的光程折叠器件能够实现更长的光程和更大的光程体积比。

2、本申请实施例提供一种密集光程折叠器件，包括：

3、输入端，用于输入光信号；

4、输出端，用于输出光信号；

5、主凹面反射镜，焦距为f、曲率半径为r且具有像差；

6、平面反射镜，所述平面反射镜的反射面到所述主凹面反射镜的光心的距离为l1＝(1+x1)f，-1＜x1＜1；

7、子凹面反射镜，焦距为f0、曲率半径为r0且设置于所述平面反射镜，所述子凹面反射镜的反射面在所述平面反射镜的反射面上的正投影面积小于所述平面反射镜的反射面的面积，所述子凹面反射镜的光心到所述主凹面反射镜的光心的距离为l2＝(1+x2)f，r0＝mr，-1＜x2＜1，x1和x2不同时为0，m＞0；

8、其中，所述输入端设置于所述主凹面反射镜或所述平面反射镜，所述输出端设置于所述主凹面反射镜、所述平面反射镜或所述子凹面反射镜，所述主凹面反射镜的反射面与所述平面反射镜的反射面和所述子凹面反射镜的反射面相对设置；

9、光信号从所述输入端输入，通过所述主凹面反射镜、所述平面反射镜和所述子凹面反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

10、在一个实施例中，所述密集光程折叠器件包括：

11、两个所述子凹面反射镜，两个所述子凹面反射镜的光心关于光轴对称设置且两个所述子凹面反射镜的反射面在所述平面反射镜的反射面上的正投影不重合；

12、其中，所述光轴垂直于所述平面反射镜的反射面且经过所述主凹面反射镜的光心和焦点0＜x2(1+2mx1-x1x2)＜2m；

13、光信号从所述输入端输入，通过所述主凹面反射镜、所述平面反射镜、两个所述子凹面反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

14、在一个实施例中，所述子凹面反射镜的光心在所述平面反射镜的反射面上的正投影位于光轴的原点；

15、其中，所述光轴垂直于所述平面反射镜的反射面且经过所述主凹面反射镜的光心和焦点，所述原点为光轴与所述平面反射镜的反射面的交点，0＜x2(1+2mx1-x1x2)＜2m。

16、在一个实施例中，x2＞0；

17、和/或，1≤m≤10，0.05≤x1≤0.5。

18、在一个实施例中，所述子凹面反射镜的反射面在所述平面反射镜的反射面上的正投影偏离光轴的原点；

19、其中，所述光轴垂直于所述平面反射镜的反射面且经过所述主凹面反射镜的光心和焦点，所述原点为光轴与所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种密集光程折叠器件，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的密集光程折叠器件，其特征在于，包括：

3.如权利要求1所述的密集光程折叠器件，其特征在于，所述子凹面反射镜的光心在所述平面反射镜的反射面上的正投影位于光轴的原点；

4.如权利要求1所述的密集光程折叠器件，其特征在于，所述子凹面反射镜的反射面在所述平面反射镜的反射面上的正投影偏离光轴的原点；

5.如权利要求4所述的密集光程折叠器件，其特征在于，x＞0。

6.如权利要求5所述的密集光程折叠器件，其特征在于，0＜x＜0.1。

7.如权利要求2或3所述的密集光程折叠器件，其特征在于，x2＞0；

8.如权利要求1至6任一项所述的密集光程折叠器件，其特征在于，所述主凹面反射镜为自带像差的球面反射镜，或者，所述主凹面反射镜为设计有像差的非球面反射镜。

9.如权利要求3所述的密集光程折叠器件，其特征在于，所述输入端、所述输出端和所述子凹面反射镜分离设置，所述输入端和所述输出端都设置于所述平面反射镜；

10.如权利要求2所述

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【技术特征摘要】