專利名稱:棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀及裝調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及棱鏡擴(kuò)束器,特別是一種棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀及裝調(diào)方法,主要適用于棱鏡擴(kuò)束器中棱鏡入射角度的標(biāo)定。
背景技術(shù):
棱鏡擴(kuò)束器具有結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)準(zhǔn)簡單、成本低廉和色差最小化的優(yōu)點(diǎn)。其最重要的應(yīng)用是對(duì)入射到光柵之前的光斑進(jìn)行ー維擴(kuò)束和準(zhǔn)直,在降低光束發(fā)散角的同時(shí)減小光束的能量密度。在高增益激光腔內(nèi),這種擴(kuò)束器和光柵組合使用的裝置可有效地壓窄激光光譜線寬,并且激光效率的損失很小。因此,棱鏡擴(kuò)束器廣泛用于染料脈沖激光器和準(zhǔn)分子激光器的光譜線寬壓窄模塊中(參見文獻(xiàn)M.J.Algots, R.A.Bergstedt, ff.D.Gillespie, et.al., " Line narrowing module, " US7366219 (2008))。為了得到較小的激光線寬,通常需要增加擴(kuò)束倍率。而棱鏡擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍率與棱鏡個(gè)數(shù)和每個(gè)棱鏡的入射角度相關(guān)(參見文獻(xiàn)“張海波,袁志軍,周軍,董景星,魏運(yùn)榮,樓祺洪,窄線寬準(zhǔn)分子激光腔內(nèi)棱鏡擴(kuò)束器的優(yōu)化設(shè)計(jì),中國激光38,1102008 (2011) ”)。一方面,棱鏡的入射角度嚴(yán)重影響擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍率,為了保證擴(kuò)束器中的擴(kuò)束倍率和輸出激光線寬,需要準(zhǔn)確地標(biāo)定每個(gè)棱鏡的入射角度。單個(gè)棱鏡的入射角度的標(biāo)定相對(duì)簡單,而對(duì)棱鏡擴(kuò)束器中多個(gè)相鄰棱鏡的入射角進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定是個(gè)有待解決的技術(shù)問題。另一方面,棱鏡減反膜僅在較窄的入射角范圍內(nèi)才有較好的減反效果,為了提高鍍膜棱鏡的光束透射率,降低激光腔內(nèi)的損耗,需要將棱鏡入射角與棱鏡透射峰對(duì)應(yīng)的角度吻合,這也需要對(duì)棱鏡入射角進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。此外,棱鏡的俯仰影響著激光器的輸出能量,為了提高激光效率,在棱鏡擴(kuò)束器的裝調(diào)過程中還要保證每個(gè)棱鏡的俯仰一致,確保棱鏡入射面與入射光束垂直。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀及裝調(diào)方法,該棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀可精確地標(biāo)定棱鏡的入射角度、保證棱鏡擴(kuò)束器總的擴(kuò)束倍率和棱鏡的平行度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,由光源、載物臺(tái)、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、支柱、ニ維行程平臺(tái)、第一直角曲桿、指示光源、第二直角曲桿、濾光片、光電探測器和電腦組成,上述各元件的位置關(guān)系如下:所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)固定在所述的載物臺(tái)的中心位置,所述的ニ維行程平臺(tái)通過所述的支柱固定并位于所述的載物臺(tái)的正上方,所述的第一直角曲桿豎直端固定在所述的載物臺(tái)上,所述的指示光源固定在所述的第一直角曲桿的水平端的頂端,所述的指示光源發(fā)射的指示光束垂直向下并與所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸共線;所述的第二直角曲桿的水平端固定在所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上,所述的濾光片和光電探測器固定在所述的第二直角曲桿的豎直端的頂端,所述的濾光片和光電探測器通過所述的第二直角曲桿隨所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)同軸轉(zhuǎn)動(dòng);所述的電腦通過所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)的控制器驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的光源和所述的濾光片和光電探測器的中心高度一致。所述的光源為準(zhǔn)分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)包含控制器和驅(qū)動(dòng)軟件。所述的支柱的數(shù)量至少為2,以確保所述的ニ維行程平臺(tái)的可靠性。所述的ニ維行程平臺(tái)在XY平面可調(diào),井能保證棱鏡擴(kuò)束器中每個(gè)棱鏡的入射面均能與所述的指示光源發(fā)射的光束相交。所述的第一直角曲桿的豎直高度可調(diào)。所述的指示光源為可見的準(zhǔn)直點(diǎn)光源。所述的第二直角曲桿為倒置L型。其水平方向和豎直方向的長度可調(diào),水平方向和豎直方向的最短長度可使所述的濾光片和光電探測器能夠90度可轉(zhuǎn)而不與所述的支柱和ニ維行程平臺(tái)相交。所述的濾光片和與光源的波長關(guān)聯(lián),根據(jù)入射到光電探測器的激光波長更換相應(yīng)透射波長的濾光片。所述的光電探測器為光電ニ極管或CCD探測器。利用上述棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀進(jìn)行棱鏡擴(kuò)束器的裝調(diào)方法,包括下列步驟:`
①固定裝配板并調(diào)節(jié)指示光源:將待裝配的棱鏡擴(kuò)束器的裝配板固定在所述的ニ維行程平臺(tái)上,調(diào)節(jié)第一直角曲桿的高度使指示光源略高于待裝配的棱鏡;②確定未偏折光源光束方向:放置第i個(gè)棱鏡前,其中i為正整數(shù),調(diào)節(jié)第二直角曲桿、驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)使所述的光電探測器與所述的光源發(fā)射的光束共軸,并使光源光束垂直地入射到所述的濾光片和光電探測器,記錄精密轉(zhuǎn)臺(tái)此時(shí)的角度^il ;③調(diào)節(jié)棱鏡轉(zhuǎn)軸與指示光束共軸:根據(jù)棱鏡擴(kuò)束器的布局,將第i個(gè)棱鏡放置在裝配板上,調(diào)節(jié)所述的ニ維行程平臺(tái)使指示光源發(fā)射的指示光束位于光源發(fā)出的光束或第1-1個(gè)棱鏡的出射光束與第i個(gè)棱鏡的入射面的水平交界線中心位置;④確定偏折光源光束方向:調(diào)節(jié)第二直角曲桿水平和豎直方向的長度,確保轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所述的第二直角曲桿不與支柱相交,所述的電腦發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)將濾光片和光電探測器轉(zhuǎn)動(dòng),使所述的濾光片和光電探測器正對(duì)從所述的第i個(gè)棱鏡的出射光束,并記錄角度P i2,鎖定精密轉(zhuǎn)臺(tái);利用關(guān)系式計(jì)算第i個(gè)棱鏡入射角為0 i的偏折角=Yi =旦 12_^ il ;⑤轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡確定目標(biāo)入射角e 1:以指示光源發(fā)射的指示光束為軸轉(zhuǎn)動(dòng)第i個(gè)棱鏡,使第i個(gè)棱鏡的出射光束正入射到濾光片和光電探測器;判斷光源光束垂直入射到濾光片的方法是,光源光束入射到濾光片(9)會(huì)有部分反射光,如果反射光斑能沿著入射光束原路返回,則證明光源光束是正入射到濾光片和光電探測器,此時(shí)光源光束的入射角即為目標(biāo)入射角Qi;⑥固定棱鏡:利用壓條將第i個(gè)棱鏡固定在裝配板上;⑦第i個(gè)棱鏡的出射光束即作為第i + 1個(gè)棱鏡的入射光束,重復(fù)步驟② ⑥標(biāo)定和固定第i+1個(gè)棱鏡;⑧直至棱鏡擴(kuò)束器的每個(gè)棱鏡按照目標(biāo)入射角度裝配完畢。本發(fā)明的技術(shù)效果:
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)束器中多個(gè)棱鏡依次實(shí)現(xiàn)入射角的標(biāo)定。確定目標(biāo)入射角、棱鏡幾何形狀、入射波長對(duì)應(yīng)的棱鏡材料的折射率即可利用軟件算出棱鏡偏折角,根據(jù)偏折角來驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)光電探測器確定光束入射棱鏡前后的位置,然后轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡使其出射光束垂直地入射到光電探測器即可實(shí)現(xiàn)入射角度的精確標(biāo)定。本發(fā)明采用指示光源來標(biāo)定光束與棱鏡入射面的交點(diǎn),保證了光電探測器轉(zhuǎn)動(dòng)前后的轉(zhuǎn)軸一致,從而保證了實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度與設(shè)計(jì)偏折角一致。采用濾光片不僅能提高光電探測器的信噪比,而且通過觀測入射到濾光片的反射光束的方向來確定擴(kuò)束光斑的入射方向,只有反射光斑與入射光斑重合時(shí)擴(kuò)束光束和光電探測器才共軸,從而提高入射角標(biāo)定的準(zhǔn)確度。所述的光電探測器與光源的中心高度是一致,經(jīng)過棱鏡擴(kuò)束后的光束入射到光電探測器的位置高低可檢測棱鏡的俯仰,光束入射到每個(gè)棱鏡前后的光束均到達(dá)光電探測器的中心。本發(fā)明不僅可保證棱鏡擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍率,而且能夠獲得較好的棱鏡平行度。
圖1為本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為本發(fā)明中精密旋臺(tái)與直角曲桿和支柱之間位置關(guān)系實(shí)例俯視圖。圖3為光源光束在棱鏡中傳輸光路圖。圖4為棱鏡入射角與擴(kuò)束倍率的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1,圖1是本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀的結(jié)構(gòu)原理圖。由圖可見,本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,由光源1、載物臺(tái)2、精密轉(zhuǎn)臺(tái)3、支柱4、ニ維行程平臺(tái)5、第一直角曲桿6、指示光源7、第二直角曲桿8、濾光片9、光電探測器10和電腦11組成,上述各元件的位置關(guān)系如下:所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3固定在所述的載物臺(tái)2的中心位置,所述的ニ維行程平臺(tái)5通過所述的支柱4固定并位于所述的載物臺(tái)2的正上方,所述的第一直角曲桿6的豎直端固定在所述的載物臺(tái)2上,所述的指示光源7固定在所述的第一直角曲桿6的水平端的頂端,所述的指示光源7發(fā)射的指示光束垂直向下并與所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3的轉(zhuǎn)軸共線;所述的第二直角曲桿8的水平端固定在所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上,所述的濾光片9和光電探測器10固定在所述的第二直角曲桿8的豎直端的頂端,所述的濾光片9和光電探測器10通過所述的第二直角曲桿8隨所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3同軸轉(zhuǎn)動(dòng);所述的電腦11通過所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3的控制器驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的光源I和所述的濾光片9和光電探測器10的中心高度一致。所述的光源I為準(zhǔn)分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)3包含控制器和驅(qū)動(dòng)軟件。所述的支柱4的數(shù)量至少為2,以確保所述的ニ維行程平臺(tái)5的可靠性。所述的ニ維行程平臺(tái)5在XY平面可調(diào),井能保證棱鏡擴(kuò)束器中每個(gè)棱鏡的入射面均能與所述的指示光源7發(fā)射的指示光束相交。
所述的第一直角曲桿6的豎直桿高度可調(diào)。所述的指示光源7為可見的準(zhǔn)直點(diǎn)光源。所述的第二直角曲桿8為倒置L型。其水平桿和豎直桿的長度可調(diào),水平方向和豎直方向的最短長度可使所述的濾光片9和光電探測器10能夠360度可轉(zhuǎn)而不與所述的支柱4和ニ維行程平臺(tái)5相交。所述的濾光片9和與光源I的波長關(guān)聯(lián),根據(jù)入射到光電探測器10的激光波長更換相應(yīng)透射波長的濾光片。所述的光電探測器10為光電ニ極管或(XD,并且其窗ロ處有一光闌。請(qǐng)參閱圖3,光源I發(fā)出的光束在棱鏡擴(kuò)束器中第i個(gè)棱鏡內(nèi)傳輸軌跡,根據(jù)幾何光學(xué)可知
權(quán)利要求
1.種棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,由光源(I)、載物臺(tái)(2)、精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)、支柱(4)、ニ維行程平臺(tái)(5)、第一直角曲桿(6)、指示光源(7)、第二直角曲桿(8)、濾光片(9)、光電探測器(10)和電腦(11)組成,上述各元件的位置關(guān)系如下: 所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)固定在所述的載物臺(tái)(2)的中心位置,所述的ニ維行程平臺(tái)(5)通過所述的支柱(4)固定并位于所述的載物臺(tái)(2)的正上方,所述的第一直角曲桿(6)的豎直端固定在所述的載物臺(tái)(2)上,所述的指示光源(7)固定在所述的第一直角曲桿(6)的水平端的頂端,該指示光源(7)發(fā)射的指示光束垂直向下并與所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)軸共線;所述的第二直角曲桿(8)的水平端固定在所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上,所述的濾光片(9)和光電探測器(10)固定在所述的第二直角曲桿(8)的豎直端的頂端,所述的濾光片(9)和光電探測器(10)通過所述的第二直角曲桿(8)隨所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)同軸轉(zhuǎn)動(dòng);所述的電腦(11)通過所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的控制器驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng); 所述的光源(I)和所述的濾光片(9)和光電探測器(10)的中心高度一致。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的光源(I)為準(zhǔn)分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)包含控制器和驅(qū)動(dòng)軟件。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的支柱(4)的數(shù)量至少為2,以確保所述的ニ維行程平臺(tái)(5)的可靠性。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的ニ維行程平臺(tái)(5)在XY平面可調(diào),以保證待裝配的棱鏡擴(kuò)束器中每個(gè)棱鏡的入射面均能與所述的指示光源(7)發(fā)射的指示光束相交。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的第一直角曲桿(6)的垂直高度可調(diào)。
7.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的指示光源(7)為可見的準(zhǔn)直點(diǎn)光源。
8.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的第二直角曲桿(8)為倒置L型,其水平方向和豎直方向的長度可調(diào),水平方向和豎直方向的最短長度可使所述的濾光片(9)和光電探測器(10)能夠90度可轉(zhuǎn)而不與所述的支柱(4)和ニ維行程平臺(tái)(5)相交。
9.據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀,其特征在于所述的濾光片(9)和光電探測器(10)與光源(I)的波長關(guān)聯(lián),以保持入射到光電探測器(10)的激光波長相匹配,所述的光電探測器(10)為光電ニ極管或CCD探測器。
10.用根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀進(jìn)行棱鏡擴(kuò)束器的裝調(diào)方法,特征在于該方法包括下列步驟: ①固定裝配板并調(diào)節(jié)指示光源(7):將待裝配的棱鏡擴(kuò)束器的裝配板固定在所述的ニ維行程平臺(tái)(5)上,調(diào)節(jié)第一直角曲桿(6)的高度使指示光源(7)略高于待裝配的棱鏡; ②確定未偏折光源光束方向:放置第i個(gè)棱鏡前,其中i為正整數(shù),調(diào)節(jié)第二直角曲桿(8)、驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)使所述的光電探測器(10)與所述的光源(1)發(fā)射的光束共軸,并使光源光束垂直地入射到所述的濾光片(9)和光電探測器(10),記錄精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)此時(shí)的角度; ③ 調(diào)節(jié)棱鏡轉(zhuǎn)軸與指示光束共軸:根據(jù)棱鏡擴(kuò)束器的布局,將第i個(gè)棱鏡放置在裝配板上,調(diào)節(jié)所述的ニ維行程平臺(tái)(5)使指示光源(7)發(fā)射的指示光束位于光源(I)發(fā)出的光束或第1-1個(gè)棱鏡的出射光束與第i個(gè)棱鏡的入射面的水平交界線中心位置; ④確定偏折光源光束方向:調(diào)節(jié)第二直角曲桿(8)水平和垂直方向的長度,確保轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所述的第二直角曲桿⑶不與支柱(4)相交,所述的電腦(11)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3)將濾光片(9)和光電探測器(10)轉(zhuǎn)動(dòng),使所述的濾光片(9)和光電探測器(10)正對(duì)從所述的第i個(gè)棱鏡的出射光束,并記錄角度Pi2,鎖定精密轉(zhuǎn)臺(tái)(3);利用關(guān)系式計(jì)算第i個(gè)棱鏡入射角為0 i的偏折角:Y i = & I2-^n ; ⑤轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡確定目標(biāo)入射角91:以指示光源(7)發(fā)射的指示光束為軸轉(zhuǎn)動(dòng)第i個(gè)棱鏡,使第i個(gè)棱鏡的出射光束正入射到濾光片(9)和光電探測器(10);判斷光源光束垂直入射到濾光片(9)的方法是,光源光束入射到濾光片(9)會(huì)有部分反射光,如果反射光斑能沿著入射光束原路返回,則證明光源光束是正入射到濾光片(9)和光電探測器(10),此時(shí)光源光束的入射角即為目標(biāo)入射角e i ; ⑥固定棱鏡:利用壓條將第i個(gè)棱鏡固定在裝配板上; ⑦第i個(gè)棱鏡的出射光束即作為第i+1個(gè)棱鏡的入射光束,重復(fù)步驟②-⑥標(biāo)定和固定第i+1個(gè)棱鏡; ⑧直至棱鏡擴(kuò)束器的每個(gè)棱鏡按照目標(biāo)入射角度裝配完畢。
全文摘要
一種棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀及裝調(diào)方法,棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀由光源、載物臺(tái)、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、支柱、二維行程平臺(tái)、第一直角曲桿、指示光源、第二直角曲桿、濾光片、光電探測器和電腦組成。采用本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束器裝調(diào)儀及裝調(diào)方法,可精確地標(biāo)定棱鏡擴(kuò)束器各棱鏡的入射角度,獲得準(zhǔn)確的擴(kuò)束倍率。通過監(jiān)測裝調(diào)過程中棱鏡的俯仰,有效地保證了各棱鏡間的平行,從而有助于降低應(yīng)用棱鏡擴(kuò)束器時(shí)產(chǎn)生的損耗。本發(fā)明可精確的裝調(diào)棱鏡擴(kuò)束器。
文檔編號(hào)G01B11/26GK103091860SQ20121058524
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者張海波, 袁志軍, 周軍, 魏運(yùn)榮, 姜麗媛, 耿立明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所