CN103091860B - 棱镜扩束器装调仪及装调方法 - Google Patents

Abstract

一种棱镜扩束器装调仪及装调方法，棱镜扩束器装调仪由光源、载物台、精密转台、支柱、二维行程平台、第一直角曲杆、指示光源、第二直角曲杆、滤光片、光电探测器和电脑组成。采用本发明棱镜扩束器装调仪及装调方法，可精确地标定棱镜扩束器各棱镜的入射角度，获得准确的扩束倍率。通过监测装调过程中棱镜的俯仰，有效地保证了各棱镜间的平行，从而有助于降低应用棱镜扩束器时产生的损耗。本发明可精确的装调棱镜扩束器。

Description

棱镜扩束器装调仪及装调方法

技术领域

本发明涉及棱镜扩束器，特别是一种棱镜扩束器装调仪及装调方法，主要适用于棱镜扩束器中棱镜入射角度的标定。

背景技术

棱镜扩束器具有结构紧凑、对准简单、成本低廉和色差最小化的优点。其最重要的应用是对入射到光栅之前的光斑进行一维扩束和准直，在降低光束发散角的同时减小光束的能量密度。在高增益激光腔内，这种扩束器和光栅组合使用的装置可有效地压窄激光光谱线宽，并且激光效率的损失很小。因此，棱镜扩束器广泛用于染料脉冲激光器和准分子激光器的光谱线宽压窄模块中（参见文献M.J.Algots,R.A.Bergstedt,W.D.Gillespie,et.al.,″Line narrowing module,″US7366219(2008)）。

为了得到较小的激光线宽，通常需要增加扩束倍率。而棱镜扩束器的扩束倍率与棱镜个数和每个棱镜的入射角度相关（参见文献“张海波，袁志军，周军，董景星，魏运荣，楼祺洪，窄线宽准分子激光腔内棱镜扩束器的优化设计，中国激光38，1102008(2011)”）。一方面，棱镜的入射角度严重影响扩束器的扩束倍率，为了保证扩束器中的扩束倍率和输出激光线宽，需要准确地标定每个棱镜的入射角度。单个棱镜的入射角度的标定相对简单，而对棱镜扩束器中多个相邻棱镜的入射角进行准确的标定是个有待解决的技术问题。另一方面，棱镜减反膜仅在较窄的入射角范围内才有较好的减反效果，为了提高镀膜棱镜的光束透射率，降低激光腔内的损耗，需要将棱镜入射角与棱镜透射峰对应的角度吻合，这也需要对棱镜入射角进行准确的标定。此外，棱镜的俯仰影响着激光器的输出能量，为了提高激光效率，在棱镜扩束器的装调过程中还要保证每个棱镜的俯仰一致，确保棱镜入射面与入射光束垂直。

发明内容

本发明的目的在于提供一种棱镜扩束器装调仪及装调方法，该棱镜扩束器装调仪可精确地标定棱镜的入射角度、保证棱镜扩束器总的扩束倍率和棱镜的平行度。

本发明的技术解决方案如下：

一种棱镜扩束器装调仪，由光源、载物台、精密转台、支柱、二维行程平台、第一直角曲杆、指示光源、第二直角曲杆、滤光片、光电探测器和电脑组成，上述各元件的位置关系如下：

所述的精密转台固定在所述的载物台的中心位置，所述的二维行程平台通过所述的支柱固定并位于所述的载物台的正上方，所述的第一直角曲杆竖直端固定在所述的载物台上，所述的指示光源固定在所述的第一直角曲杆的水平端的顶端，所述的指示光源发射的指示光束垂直向下并与所述的精密转台的转轴共线；所述的第二直角曲杆的水平端固定在所述的精密转台的转动台面上，所述的滤光片和光电探测器固定在所述的第二直角曲杆的竖直端的顶端，所述的滤光片和光电探测器通过所述的第二直角曲杆随所述的精密转台同轴转动；所述的电脑通过所述的精密转台的控制器驱动精密转台转动。

所述的光源和所述的滤光片和光电探测器的中心高度一致。

所述的光源为准分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。

所述的精密转台包含控制器和驱动软件。

所述的支柱的数量至少为2，以确保所述的二维行程平台的可靠性。

所述的二维行程平台在XY平面可调，并能保证棱镜扩束器中每个棱镜的入射面均能与所述的指示光源发射的光束相交。

所述的第一直角曲杆的竖直高度可调。

所述的指示光源为可见的准直点光源。

所述的第二直角曲杆为倒置L型。其水平方向和竖直方向的长度可调，水平方向和竖直方向的最短长度可使所述的滤光片和光电探测器能够90度可转而不与所述的支柱和二维行程平台相交。

所述的滤光片和与光源的波长关联，根据入射到光电探测器的激光波长更换相应透射波长的滤光片。

所述的光电探测器为光电二极管或CCD探测器。

利用上述棱镜扩束器装调仪进行棱镜扩束器的装调方法，包括下列步骤：

①固定装配板并调节指示光源：将待装配的棱镜扩束器的装配板固定在所述的二维行程平台上，调节第一直角曲杆的高度使指示光源略高于待装配的棱镜；

②确定未偏折光源光束方向：放置第i个棱镜前，其中i为正整数，调节第二直角曲杆、驱动精密转台使所述的光电探测器与所述的光源发射的光束共轴，并使光源光束垂直地入射到所述的滤光片和光电探测器，记录精密转台此时的角度β_i1；

③调节棱镜转轴与指示光束共轴：根据棱镜扩束器的布局，将第i个棱镜放置在装配板上，调节所述的二维行程平台使指示光源发射的指示光束位于光源发出的光束或第i-1个棱镜的出射光束与第i个棱镜的入射面的水平交界线中心位置；

④确定偏折光源光束方向：调节第二直角曲杆水平和竖直方向的长度，确保转动过程中所述的第二直角曲杆不与支柱相交，所述的电脑发出指令驱动精密转台将滤光片和光电探测器转动，使所述的滤光片和光电探测器正对从所述的第i个棱镜的出射光束，并记录角度β_i2，锁定精密转台；利用关系式计算第i个棱镜入射角为θ_i的偏折角：γ_i＝β_i2-β_i1；

⑤转动棱镜确定目标入射角θ_i：以指示光源发射的指示光束为轴转动第i个棱镜，使第i个棱镜的出射光束正入射到滤光片和光电探测器；判断光源光束垂直入射到滤光片的方法是，光源光束入射到滤光片(9)会有部分反射光，如果反射光斑能沿着入射光束原路返回，则证明光源光束是正入射到滤光片和光电探测器，此时光源光束的入射角即为目标入射角θ_i；

⑥固定棱镜：利用压条将第i个棱镜固定在装配板上；

⑦第i个棱镜的出射光束即作为第i+1个棱镜的入射光束，重复步骤②～⑥标定和固定第i+1个棱镜；

⑧直至棱镜扩束器的每个棱镜按照目标入射角度装配完毕。

本发明的技术效果：

本发明可实现对扩束器中多个棱镜依次实现入射角的标定。确定目标入射角、棱镜几何形状、入射波长对应的棱镜材料的折射率即可利用软件算出棱镜偏折角，根据偏折角来驱动精密转台转动光电探测器确定光束入射棱镜前后的位置，然后转动棱镜使其出射光束垂直地入射到光电探测器即可实现入射角度的精确标定。

本发明采用指示光源来标定光束与棱镜入射面的交点，保证了光电探测器转动前后的转轴一致，从而保证了实际转动角度与设计偏折角一致。

采用滤光片不仅能提高光电探测器的信噪比，而且通过观测入射到滤光片的反射光束的方向来确定扩束光斑的入射方向，只有反射光斑与入射光斑重合时扩束光束和光电探测器才共轴，从而提高入射角标定的准确度。

所述的光电探测器与光源的中心高度是一致，经过棱镜扩束后的光束入射到光电探测器的位置高低可检测棱镜的俯仰，光束入射到每个棱镜前后的光束均到达光电探测器的中心。

本发明不仅可保证棱镜扩束器的扩束倍率，而且能够获得较好的棱镜平行度。

附图说明

图1为本发明棱镜扩束器装调仪的结构原理图。

图2为本发明中精密旋台与直角曲杆和支柱之间位置关系实例俯视图。

图3为光源光束在棱镜中传输光路图。

图4为棱镜入射角与扩束倍率的关系曲线。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明棱镜扩束器装调仪的结构原理图。由图可见，本发明棱镜扩束器装调仪，由光源1、载物台2、精密转台3、支柱4、二维行程平台5、第一直角曲杆6、指示光源7、第二直角曲杆8、滤光片9、光电探测器10和电脑11组成，上述各元件的位置关系如下：

所述的精密转台3固定在所述的载物台2的中心位置，所述的二维行程平台5通过所述的支柱4固定并位于所述的载物台2的正上方，所述的第一直角曲杆6的竖直端固定在所述的载物台2上，所述的指示光源7固定在所述的第一直角曲杆6的水平端的顶端，所述的指示光源7发射的指示光束垂直向下并与所述的精密转台3的转轴共线；所述的第二直角曲杆8的水平端固定在所述的精密转台3的转动台面上，所述的滤光片9和光电探测器10固定在所述的第二直角曲杆8的竖直端的顶端，所述的滤光片9和光电探测器10通过所述的第二直角曲杆8随所述的精密转台3同轴转动；所述的电脑11通过所述的精密转台3的控制器驱动精密转台转动。

所述的光源1和所述的滤光片9和光电探测器10的中心高度一致。

所述的光源1为准分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。

所述的精密转台3包含控制器和驱动软件。

所述的支柱4的数量至少为2，以确保所述的二维行程平台5的可靠性。

所述的二维行程平台5在XY平面可调，并能保证棱镜扩束器中每个棱镜的入射面均能与所述的指示光源7发射的指示光束相交。

所述的第一直角曲杆6的竖直杆高度可调。

所述的指示光源7为可见的准直点光源。

所述的第二直角曲杆8为倒置L型。其水平杆和竖直杆的长度可调，水平方向和竖直方向的最短长度可使所述的滤光片9和光电探测器10能够360度可转而不与所述的支柱4和二维行程平台5相交。

所述的滤光片9和与光源1的波长关联，根据入射到光电探测器10的激光波长更换相应透射波长的滤光片。

所述的光电探测器10为光电二极管或CCD，并且其窗口处有一光阑。

请参阅图3，光源1发出的光束在棱镜扩束器中第i个棱镜内传输轨迹，根据几何光学可知

$\left\{\begin{array}{c}{n}_0\sin {\mathrm{\θ}}_i=n_i\sin {\mathrm{\φ}}_i\\ n_i\sin {\mathrm{\μ}}_i=n_0\sin {\mathrm{\ν}}_i,\\ {\mathrm{\φ}}_i+{\mathrm{\μ}}_i={\mathrm{\α}}_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：θ_i称为目标入射角，φ_i为入射面的折射角，μ_i为出射面的入射角，v_i为出射面的出射角，n₀和n_i分别为光源1发射的光源光束波长在空气和第i个棱镜的折射率。

第i个棱镜的偏折角γ_i为：

γ_i＝θ_i-α_i+υ_i,      (2)

根据式(1)可得到出射角v_i与入射角θ_i和棱镜顶角α_i的关系

${\sin \mathrm{\ν}}_i=\sin {\mathrm{\α}}_i\sqrt{{(n_i/n_0)}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}-\cos {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(3\right)$

因此，偏折角γ_i可写为：

${\mathrm{\γ}}_i={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\α}}_i+{\sin }^{-1}[\sin {\mathrm{\α}}_i\sqrt{{(n_i/n_0)}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}-\cos {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i].---\left(4\right)$

由此，可确定目标入射角度时光源光束在棱镜内的偏折角γ_i。根据光路可逆原理，当棱镜出射光束调到偏折角对应的方向时即可确定光源光束的入射角为目标入射角θ_i。

根据几何光学原理，即目标入射角的光源光束通过棱镜后的偏折角是确定值，通过确定光源光束入射棱镜前后形成的偏折角即可标定入射角。因为每个棱镜入射角度的标定的原理和流程一样的，因此这里以任意第i个棱镜(i为正整数)为例举例说明棱镜扩束器装调方法如下：

①固定装配板并调节指示光源7的高度：棱镜扩束器的装配板固定在所述的二维行程平台5上，调节第一直角曲杆6的高度使指示光源7略高于待装配的棱镜。

②确定未偏折光源光束方向：放置第i个棱镜前，调节第二直角曲杆8、驱动精密转台3使光电探测器10与所述的光源1发射的光源光束共轴，并使光源光束垂直入射到滤光片9和光电探测器10，记录精密转台3此时的角度为β_i1；

③调节棱镜转轴与指示光束共轴：根据棱镜扩束器的布局，将第i个棱镜放置在装配板上，调节二维行程平台5使指示光源7发射的指示光束位于入射光源1或第i-1个棱镜的出射光束(i＝1时出射光束即为光源1发射的光束)与待装配的第i个棱镜入射面水平交界线中心位置。

④确定偏折光源光束方向。调节第二直角曲杆8水平和垂直方向的长度，确保转动过程中所述的第二直角曲杆8不与支柱4相交，电脑11驱动精密转台3将滤光片9和光电探测器10转动到β_i2方向后，锁定精密转台3。恢复第二直角曲杆8水平和垂直方向的长度，使光电探测器10与光源1发射的光束高度一致。并且，β_i2满足关系式：

γ_i＝β_i2-β_i1，      (5)

其中，β_i1和β_i2为精密转台（2）记录的光源光束入射到第i个棱镜前后光束方向分别所对应的角度，γ_i为第i个棱镜入射角为θ_i的偏折角。

⑤转动棱镜确定入射角θ_i：以指示光源7发射的指示光束为轴转动第i个棱镜，使第i个棱镜的出射光束正入射到滤光片9和光电探测器10。判断光源光束垂直入射到滤光片9的方法是，光源光束入射到滤光片9会有部分反射光，如果反射光斑能沿着入射光束原路返回，则证明光源光束是正入射到滤光片9和光电探测器10，此时光源光束的入射角即为目标入射角θ_i。

⑥固定棱镜。确定第i个棱镜的入射面严格垂直于入射的光源光束后，利用压条将第i个棱镜固定在装配板上。在转动和固定棱镜时，为了保证棱镜扩束器各棱镜间的平行，一方面，光源光束经过棱镜扩束后入射到光电探测器10的中心位置，如果入射到光电探测器10的位置偏离中心位置，则说明棱镜的俯仰需要调整；另一方面，通过观测棱镜出射面出射光斑与滤光片9的反射光斑相对位置是否完全重合，也可判断棱镜俯仰平行与否。

⑦第i个棱镜的出射光束即作为第i+1个棱镜的入射光束，依次采用步骤②-⑥标定和固定第i+1个棱镜。

⑧直至棱镜扩束器的每个棱镜按照目标入射角度装配完毕。

实验表明，采用本发明棱镜扩束器装调仪及装调方法，可精确地标定棱镜扩束器各棱镜的入射角度，获得准确的扩束倍率。通过监测装调过程中棱镜的俯仰，有效地保证了各棱镜间的平行，从而有助于降低应用棱镜扩束器时产生的损耗。因此，本发明可实现对棱镜扩束器精确的装调。

Claims (10)

1.一种棱镜扩束器装调仪，由光源(1)、载物台(2)、精密转台(3)、支柱(4)、二维行程平台(5)、第一直角曲杆(6)、指示光源(7)、第二直角曲杆(8)、滤光片(9)、光电探测器(10)和电脑(11)组成，上述各元件的位置关系如下：

所述的精密转台(3)固定在所述的载物台(2)的中心位置，所述的二维行程平台(5)通过所述的支柱(4)固定并位于所述的载物台(2)的正上方，所述的第一直角曲杆(6)的竖直端固定在所述的载物台(2)上，所述的指示光源(7)固定在所述的第一直角曲杆(6)的水平端的顶端，该指示光源(7)发射的指示光束垂直向下并与所述的精密转台(3)的转轴共线；所述的第二直角曲杆(8)的水平端固定在所述的精密转台(3)的转动台面上，所述的滤光片(9)和光电探测器(10)固定在所述的第二直角曲杆(8)的竖直端的顶端，所述的滤光片(9)和光电探测器(10)通过所述的第二直角曲杆(8)随所述的精密转台(3)同轴转动；所述的电脑(11)通过所述的精密转台(3)的控制器驱动精密转台转动；

所述的光源(1)和所述的滤光片(9)和光电探测器(10)的中心高度一致。

2.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的光源(1)为准分子激光器、燃料激光器或氦氖激光器。

3.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的精密转台(3)包含控制器和驱动软件。

4.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的支柱(4)的数量至少为2，以确保所述的二维行程平台(5)的可靠性。

5.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的二维行程平台(5)在XY平面可调，以保证待装配的棱镜扩束器中每个棱镜的入射面均能与所述的指示光源(7)发射的指示光束相交。

6.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的第一直角曲杆(6)的垂直高度可调。

7.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的指示光源(7)为可见的准直点光源。

8.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的第二直角曲杆(8)为倒置L型，其水平方向和竖直方向的长度可调，水平方向和竖直方向的最短长度可使所述的滤光片(9)和光电探测器(10)能够90度可转而不与所述的支柱(4)和二维行程平台(5)相交。

9.根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪，其特征在于所述的滤光片(9)和光电探测器(10)与光源(1)的波长关联，以保持入射到光电探测器(10)的激光波长相匹配，所述的光电探测器(10)为光电二极管或CCD探测器。

10.利用根据权利要求1所述的棱镜扩束器装调仪进行棱镜扩束器的装调方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①固定装配板并调节指示光源(7)：将待装配的棱镜扩束器的装配板固定在所述的二维行程平台(5)上，调节第一直角曲杆(6)的高度使指示光源(7)略高于待装配的棱镜；

②确定未偏折光源光束方向：放置第i个棱镜前，其中i为正整数，调节第二直角曲杆(8)、驱动精密转台(3)使所述的光电探测器(10)与所述的光源(1)发射的光束共轴，并使光源光束垂直地入射到所述的滤光片(9)和光电探测器(10)，记录精密转台(3)此时的角度β_i1；

③调节棱镜转轴与指示光束共轴：根据棱镜扩束器的布局，将第i个棱镜放置在装配板上，调节所述的二维行程平台(5)使指示光源(7)发射的指示光束位于光源(1)发出的光束或第i-1个棱镜的出射光束与第i个棱镜的入射面的水平交界线中心位置；

④确定偏折光源光束方向：调节第二直角曲杆(8)水平和垂直方向的长度，确保转动过程中所述的第二直角曲杆(8)不与支柱(4)相交，所述的电脑(11)发出指令驱动精密转台(3)将滤光片(9)和光电探测器(10)转动，电脑(11)驱动精密转台(3)将滤光片(9)和光电探测器(10)转动到β_i2方向后，锁定精密转台(3)；且转动后的角度β_i2满足关系式：β_i2＝β_i1+γ_i，其中γ_i是根据第i棱镜的入射角θ_i得到的计算值”；

⑤转动棱镜确定目标入射角θ_i：以指示光源(7)发射的指示光束为轴转动第i个棱镜，使第i个棱镜的出射光束正入射到滤光片(9)和光电探测器(10)；判断光源光束垂直入射到滤光片(9)的方法是，光源光束入射到滤光片(9)会有部分反射光，如果反射光斑能沿着入射光束原路返回，则证明光源光束是正入射到滤光片(9)和光电探测器(10)，此时光源光束的入射角即为目标入射角θ_i；

⑥固定棱镜：利用压条将第i个棱镜固定在装配板上；

⑦第i个棱镜的出射光束即作为第i+1个棱镜的入射光束，重复步骤②-⑥标定和固定第i+1个棱镜；

⑧直至棱镜扩束器的每个棱镜按照目标入射角度装配完毕。