CN201378063Y - 基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置 - Google Patents

Abstract

基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，涉及一种激光光束偏转装置。提供一种成本低、偏转精度高的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置。设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑。光栅设于旋转台上且位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上设有透光窗，透光窗只供由光栅产生的一束衍射光通过。

Description

基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光光束偏转装置，尤其是涉及一种基于光栅衍射实现激光光束高精度小角度偏转装置。

背景技术

在现代光学实验中，经常需要使激光光束改变方向，按一定的角度偏转。这种偏转可以通过转动反射镜，或者旋转光楔棱镜来实现。通过机械方式转动反射镜，可以改变光束至镜面的入射角，以达到使反射光束偏转的目的。反射光偏转的角度为反射镜偏转角度的两倍，因此偏转角精度仅为反射镜旋转精度的1/2，使得反射镜只能用于对角度精度要求不高的情形。而光楔则可以在小角度范围内实现较高精度的光束偏转，可以用于一些对光束偏转精度较高的场合，例如星间激光通信终端跟瞄***中光束传递的模拟，或在光电测量***中进行测角精度标定等。

光楔用于产生光束的小角度偏转的精度受楔角大小限制，楔角越大，偏转和扫描的精度越低，另外对光楔的加工精度也有很高的要求。由于光楔的加工误差和楔角大小的限制使得光楔的光束偏转精度被限制在角秒量级，使得所有使用光楔实现光束偏转的场合精度都受到限制。另外楔角越小，加工精度越高，光楔的价格就越高。

由于楔角的限制，为了提高光束偏转的精度，只能选用高精度的机械转动装置，例如采用步进仪来旋转光楔，但增加了成本。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种成本低、偏转精度高的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置。

本实用新型设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑。光栅设于旋转台上且位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上设有透光窗，透光窗只供由光栅产生的一束衍射光通过。

旋转台上最好设有微调旋钮，微调旋钮最好为微调螺杆，微调旋钮用于转动调节旋转台。

本实用新型的工作原理如下：

为使负一级衍射光发生角度为θ角的偏转，可通过旋转台转动而使光栅发生角度为β角的偏转而实现。其中，β角的大小由下式决定：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}\right)+\mathrm{\β}---\left(1\right)$

其中m为衍射光的衍射级次，λ为激光器发出的激光波长，d为光栅的周期。

则衍射光转动的角度θ与光栅转动的角度β之间的比值为：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\β}}=1-\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{1-{(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin \mathrm{\β})}^2}}---\left(2\right)$

当光栅的周期d远大于入射光的波长λ时，θ～β曲线上各点的斜率很小，因此旋转台转动一个大角度β，衍射光只会转动一个微小的角度θ。用最小读数来表征光束偏转的精度，若旋转台的最小角度读数为b，则θ角的最小读数a可由下式表示：

$a=b(1-\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{1-{(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin \mathrm{\β})}^2}})---\left(3\right)$

本实用新型用于实现产生两束成一定高精度夹角的激光光束时，使用光阑挡住其它光线，只让零级光和其中一级衍射光通过。此时两束光的夹角γ与光栅转动的角度β之间的关系可以用下式表示：

$\mathrm{\γ}={\sin }^{-1}(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin \left(\mathrm{\β}\right))+\mathrm{\β}---\left(4\right)$

γ角随β角的变化率由下式给出：

$\frac{\mathrm{d\γ}}{\mathrm{d\β}}=1-\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{1-{(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin \mathrm{\β})}^2}}---\left(5\right)$

由于式(5)与(2)相等，因此两种情形下两束激光夹角的精度都可由式(3)表征，由激光的波长、光栅的周期、旋转台的旋转角度β角和旋转台的角度测量精度共同决定，并且随着β角的增大而降低。

以下给出1个优选方案：分析式(3)可知，在光束需要偏转的最大角度为β角的情况下，若旋转台的精度越高，即最小角度读数b越小、激光的波长λ越小、光栅的周期d越大，则衍射光的偏转角θ角的最小读数a就越小，光束偏转精度就越高。因此在旋转台的精度有限、激光的波长λ选择范围不大时，可以选用周期d很大的光栅来提高光束偏转的精度。由于相比于制备小周期的光栅，d很大的大周期光栅制备反而更加容易，因而本实用新型的偏转精度几乎没有限制。然而在周期d增大，精度增加的同时，光束偏转的角度范围就会变小，因此在实际应用中应根据需要选择周期合适的光栅。

另外，mλ/d的绝对值越小，a值越小，因此选用级次最低的衍射光，即令m＝±1，可以得到最高的角度偏转精度。进一步而言，由于m＝1时，由式(2)可知，dθ/dβ的值在正负之间变化，当光栅往一个方向旋转时，衍射光会先往一个方向偏转，然后在光栅旋转一定角度后，向反方向偏转。因此选用m＝-1，即光栅的负一级衍射光作为小角度偏转的光束。根据Hutley(哈特利)的定义，衍射光线与入射光线在光栅法线的同一侧时，m的符号为正，反之为负。

另外由式(3)可知，本实用新型的测量精度随着光栅转角β角的增大而降低。当β角增大到使dθ/dβ的绝对值等于1时，θ角的变化率与β角的变化率相等，此时光束偏转角的测量精度降为与光栅旋转角的测量精度相同。

基于上述原理，本实用新型使用时，将激光器输出的激光束垂直入射低频光栅后，通过旋转并测量光栅转动的角度，可精确控制衍射光偏转的角度，通过预先标好的光栅旋转的角度和衍射光偏转的角度之间的对应关系，即可实现激光光束的高精度小角度偏转。本实用新型具有结构简单、体积小、成本低和测量精度高等特点，是一种用途很广泛的通用器件，尤其适用于模拟光学传递***中较小角度范围内的光束偏转，也适用于产生两束成一定夹角、角度可高精度调控的激光光束。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。在图1中，1.激光器，2.旋转台，3.光栅，4.光阑，5.旋转轴，6.零级光，7.负一级衍射光，8.微调螺杆。

图2为本实用新型实施例1中θ角与β角的关系图。在图2中，横坐标为光栅旋转的角度β(°)，纵坐标为负一级衍射光偏转的角度θ(°)。

图3为本实用新型实施例3中θ角与β角的关系图。在图3中，横坐标为负一级衍射光偏转的角度β(°)，纵坐标为光栅旋转的角度θ(°)。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

参见图1，本实用新型设有激光器1、可测量旋转角度的旋转台2、光栅3和光阑4。光栅3设于旋转台2上且位于旋转台2的直径垂直面上，光栅3的光栅面背向激光器1，激光器1设于光栅3前方，激光器1发出的激光光束垂直入射于光栅3，并且穿过旋转台2的旋转轴5，光阑4设于光栅3后的光路中，光阑4上设有透光窗41，透光窗41只供由光栅3产生的一束衍射光通过。旋转台2上设有微调螺杆8，微调螺杆8用于转动调节旋转台2。

在图1中，激光器1采用波长λ为632.8nm，输出功率为40mW的He-Ne激光器，光栅3采用周期为7.25μm的全息光栅，旋转台2采用北京华维浩润仪器有限公司的BR73-1精密旋转台。激光器1的出光口距离光栅3的距离为1m，光阑4距离光栅3的距离为5cm。光阑4上的透光窗41尺寸为1.25cm×1.25cm。

本实施例的使用方法按以下步骤进行：

1、打开激光器1；

2、调整旋转台2确定光栅的初始位置，以确保激光光束垂直入射于光栅面。可在光栅3面对激光器1的表面上贴上一块反射镜，反射镜的反射面朝向激光器1。然后调节旋转台2的微调螺杆8，使得反射镜反射出来的激光返回到激光器1的出光口中，记下此时旋转台2的旋转角度的读数β₁；

3、去掉反射镜，移动光阑4使得仅有负一级衍射光7通过光阑4。

4、调节微调螺杆8使旋转台2逆时针旋转，记下此时旋转台2的旋转角度的读数β₂，则旋转台2转过的角度β＝β₂-β₁。

此时负一级衍射光7的偏转角θ角可由式(1)算得，θ角的精度可以由式(3)算得。参见图2，图2为本实施例中θ角与β角的关系图。北京华维浩润仪器有限公司的BR73-1精密旋转台2的测量精度为5′，在旋转台2的转动角为1°时，对应负一级衍射光7的偏转角为0.004603°，测量精度为0.027′。随着精密旋转台2转动角度的增大，测量精度随之下降。在旋转台转动角为10°时，对应负一级衍射光7的偏转角为0.118002°，测量精度为0.1′。在旋转台转动角为40°时，对应负一级衍射光7的偏转角为1.884988°，测量精度为0.605′。在本实施例中，当旋转台2转动角为62.29°，对应负一级衍射光7的偏转角为9.258°时，精度降为与旋转台2的精度5′相同。

实施例2

与实施例1类似，区别在于，将实施例1中的光阑4移动，使零级透射光6和负一级衍射光7可以同时通过光阑4的透光窗41。

此时零级透射光6和负一级衍射光7之间的夹角γ角可由式(4)算得。精度分析与实施例1相同。当β＝0时，γ角的最小值为5.007305°。当精度降为与精密旋转台2的精度相同时，γ角的值为14.265°。

实施例3

与实施例1类似，区别在于，将实施例1中的激光器1换为波长为650nm的半导体激光器，光栅3换为周期65μm的全息光栅。参见图3，在旋转台2转动为1°时，对应负一级衍射光7的偏转角为(1.373×10^-4)°，测量精度为0.0011′；在旋转台转动角为10°时，对应负一级衍射光7的偏转角为0.009361°，测量精度为0.0092′；在旋转台转动角为40°时，对应负一级衍射光7的偏转角为0.17914°，测量精度为0.0563′。在本实施例中，当旋转台2转动角为80.64°，对应负一级衍射光7的偏转角为4.121°时，精度降为与旋转台2的精度5′相同。

实施例4

与实施例3类似，区别在于，将实施例3的光阑4移动，使零级光6和负一级衍射光7可以同时通过光阑4的透光窗41。

此时零级光6与负一级衍射光7之间的夹角γ角可由式(4)算得。精度分析与实施例3相同。当β＝0时，γ角的最小值为0.572967°。当精度降为与旋转台2的精度相同时，γ角的值为4.694°。

Claims (3)

1.基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑，光栅设于旋转台上且位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上设有透光窗。

2.如权利要求1所述的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于旋转台上设有微调旋钮。

3.如权利要求2所述的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于微调旋钮为微调螺杆。

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