CN103018897B - 精密波长调谐装置 - Google Patents

Abstract

一种精密波长调谐装置，由扩束器、光栅装调架、闪耀光栅、旋转平台、连杆、直线伺服控制平台、第一圆柱销和第二圆柱销组成，本发明具有结构简化、波长调谐精度高、可应用于激光器的波长调谐和波长稳定控制的特点。

Description

精密波长调谐装置

技术领域

本发明涉及一种精密波长调谐装置，主要用于激光器的线宽压窄模块和激光器的波长稳定控制。

背景技术

在波长调谐中，最常用的办法是将闪耀光栅通过光栅装调架固定在高精度电动转台上，通过伺服控制电动转台旋转，实现波长精密调谐。但是，由于波长精密调谐对电动转台旋转精度要求高，所以，传统波长调谐中使用的电动转台往往尺寸大、质量重、结构复杂，且成本很高，因此限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密波长调谐装置。该装置具有结构简化、波长调谐精度高，可应用于激光器的波长调谐和波长稳定控制的特点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种精密波长调谐装置，其特征在于：该装置由扩束器、光栅装调架、闪耀光栅、旋转平台、连杆、直线伺服控制平台、第一圆柱销和第二圆柱销组成，所述的旋转平台由安装底座和旋转载物台组成,且旋转载物台边缘设计有螺纹孔，所述的闪耀光栅通过光栅装调架固定在旋转载物台上，所述的连杆的两端各有一个销孔，所述的直线伺服控制平台的载物台边缘设计有一螺纹孔，第一圆柱销和第二圆柱销均由螺帽、圆柱形销和底部螺杆三部分组成，将第一圆柱销插入所述的连杆一销孔，并将第一圆柱销通过其底部螺杆固定在所述的旋转载物台上，第一圆柱销和连杆形成第一转动副，将第二圆柱销插入所述的连杆另一销孔中，并将第二圆柱销通过其底部螺杆固定在所述的直线伺服控制平台的载物台上，第二圆柱销和连杆形成第二转动副，所述的旋转平台、连杆、直线伺服控制平台、第一圆柱销和第二圆柱销构成曲柄滑块机构，将所述的直线伺服控制平台的直线运动转换为旋转平台的回转运动，实现闪耀光栅旋转，使光束入射到所述的闪耀光栅的入射角发生改变，实现波长精密调谐。

所述的扩束器为棱镜扩束器或望远镜式扩束器，扩束器的扩束率控制在15~23。

所述的闪耀光栅为反射式光栅，光栅常数为1/94.13mm，闪耀角为79°，波长193nm时的衍射级次为108。

所述的旋转平台由安装底座和旋转载物台组成，安装底座和旋转载物台之间采用精密轴承连接，保证旋转载物台转动时的稳定性，且旋转载物台边缘设计有螺纹孔。

所述的装置的波长调谐精度为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{2d\cos \mathrm{\α}}{k}(\arccos \frac{{\mathrm{\δl}}^2}{2r\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2}}-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arctan \frac{\mathrm{\δl}}{\sqrt{L^2-r^2}})$

其中：d、α和k分别为闪耀光栅的光栅常数、光栅闪耀角和衍射级次。δl为直线伺服控制平台的最小位移量，r为旋转平台的中心到螺纹孔中心的距离，L为连杆的两个销孔中心之间的距离。

本发明的技术效果：

本发明可实现光谱波长高精度调谐，与传统方法相比，优势在于：通过将伺服控制电机和旋转平台在空间上分离，使结构简化、调谐精度提高、重量减轻、成本降低，可应用于激光器的波长调谐和波长稳定控制。

附图说明

图1为本发明精密波长调谐装置结构示意图。

图2为圆柱销结构示意图。

图3为曲柄滑块机构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明精密波长调谐装置结构示意图。由图可见，本发明精密波长调谐装置，该装置由扩束器1、光栅装调架2、闪耀光栅3、旋转平台4、连杆5、直线伺服控制平台6、第一圆柱销7和第二圆柱销8组成，所述的旋转平台4由安装底座4.1和旋转载物台4.2组成,且旋转载物台4.2边缘设计有螺纹孔4.2.1，所述的闪耀光栅3通过光栅装调架2固定在旋转载物台4.2上，所述的连杆5的两端各有一个销孔，所述的直线伺服控制平台6的载物台边缘设计有一螺纹孔6.1，请参阅图2，第一圆柱销7和第二圆柱销8均由螺帽、圆柱形销和底部螺杆三部分组成，将第一圆柱销7插入所述的连杆5一销孔，并将第一圆柱销7通过其底部螺杆固定在所述的旋转载物台4.2上，第一圆柱销7和连杆5形成第一转动副，将第二圆柱销8插入所述的连杆5另一销孔中，并将第二圆柱销8通过其底部螺杆固定在所述的直线伺服控制平台6的载物台上，第二圆柱销8和连杆5形成第二转动副，所述的旋转平台4、连杆5、直线伺服控制平台6、第一圆柱销7和第二圆柱销8构成曲柄滑块机构，将所述的直线伺服控制平台6的直线运动转换为旋转平台4的回转运动，实现闪耀光栅3旋转，使光束入射到所述的闪耀光栅3的入射角发生改变，实现波长精密调谐。

所述的扩束器1为棱镜扩束器或望远镜式扩束器，扩束器1的扩束率控制在15~23。

所述的闪耀光栅3为反射式光栅，光栅常数为1/94.13mm，闪耀角为79°，波长193nm时的衍射级次为108。

所述的旋转平台4由安装底座4.1和旋转载物台4.2组成，安装底座4.1和旋转载物台4.2之间采用精密轴承连接，保证旋转载物台4.2转动时的稳定性，且旋转载物台4.2边缘设计有螺纹孔4.2.1。

本发明采用曲柄滑块机构实现闪耀光栅3的旋转，其结构示意图请参阅图2，曲柄滑块机构是一种常用的机械结构，它将直线伺服控制平台6（滑块）在直线上的往复运动转化为旋转平台4（曲柄）的转动，旋转平台4可简化为曲柄OQ，绕中心O转动；直线伺服控制平台6简化为滑块P，可沿x轴做往返运动；连杆5简化为固定长度的线线PQ，连接滑块和曲柄。当滑块（直线伺服控制平台6）从P位置移动到P′时，曲柄（旋转平台4）绕中心O逆时针旋转至O′，旋转角度为δθ。记旋转平台4的中心到螺纹孔4.2.1中心的距离为r，连杆5的两个销孔中心之间的距离为L，∠P′OQ=β，∠POP′=γ，OP⊥OQ，OP⊥x轴，PP′=δl，根据勾股定理，可得：

$\mathrm{OP}=\sqrt{L^2-r^2},---\left(1\right)$

${\mathrm{OP}}^{\′}=\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2},---\left(2\right)$

在△OPP′中，OP⊥x轴，可得：

$\tan \mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{PP}}^{\′}}{\mathrm{OP}}=\frac{\mathrm{\δl}}{\sqrt{L^2-r^2}},---\left(3\right)$

在△OP′Q′中，根据余弦定理，可得：

$\cos (\mathrm{\δ\θ}+\mathrm{\β})=\frac{{\mathrm{OP}}^{\′2}+{\mathrm{OQ}}^{\′2}-P^{\′}{Q}^{\′2}}{2\·{\mathrm{OP}}^{\′}\·{\mathrm{OQ}}^{\′}}=\frac{{\mathrm{\δl}}^2}{2r\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2}},---\left(4\right)$

综上所述，当直线伺服控制平台6沿x轴方向移动δl时，旋转平台4转动的角度为：

$\mathrm{\δ\θ}=(\mathrm{\δ\θ}+\mathrm{\β})-\mathrm{\β}=(\mathrm{\δ\θ}+\mathrm{\β})-(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ})$

$=\arccos \frac{\mathrm{\δ}{l}^2}{2r\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2}}-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arctan \frac{\mathrm{\δl}}{\sqrt{L^2-r^2}},---\left(5\right)$

当经扩束器1输出的光束与闪耀光栅3成利特罗（Littrow）结构，即入射角与闪耀角相等时，光栅方程可写为：

2dsinα＝kλ，     (6)

其中:d为光栅常数，α为闪耀光栅3闪耀角，k为衍射级次。

对光栅方程(6)微分有:

2dcosαΔα＝kΔλ，(7)

本发明中闪耀光栅3转角和旋转平台4转角相同，因此由式(5)和(7)可得到直线伺服控制平台6的最小位移量为δl时波长调谐精度为:

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{2d\cos \mathrm{\α\δ\θ}}{k}=\frac{2d\cos \mathrm{\α}}{k}(\arccos \frac{{\mathrm{\δl}}^2}{2r\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2}}-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arctan \frac{\mathrm{\δl}}{\sqrt{L^2-r^2}}),---\left(8\right)$

其中：闪耀光栅3长度d为1/94.13mm，闪耀角为79°，波长为193nm时的衍射级次为108，直线伺服控制平台6的精度为δl＝0.5μm，连杆5的两个销孔中心之间的距离为L=200mm，旋转平台4的中心到螺纹孔4.2.1中心的距离r＝50mm，则光谱波长调谐精度可达：

在传统方法中，一般选用的高精度转台的转动角精度为δθ＝0.00008rad，因此可得到采用高精度转台的波长调谐精度为：

综上所述，与传统方法相比，本发明所提及的波长调谐装置结构简单，质量轻，波长调谐精度提高了约30倍，且其成本较低，能够在激光器波长调谐和波长稳定控制方面得到广泛应用。

Claims (5)

1.一种精密波长调谐装置，其特征在于：该装置由扩束器（1）、光栅装调架（2）、闪耀光栅（3）、旋转平台（4）、连杆（5）、直线伺服控制平台（6）、第一圆柱销（7）和第二圆柱销（8）组成，所述的旋转平台（4）由安装底座（4.1）和旋转载物台（4.2）组成,且旋转载物台（4.2）边缘设计有螺纹孔（4.2.1），所述的闪耀光栅（3）通过光栅装调架（2）固定在旋转载物台（4.2）上，所述的连杆（5）的两端各有一个销孔，所述的直线伺服控制平台（6）的载物台边缘设计有一螺纹孔（6.1），第一圆柱销（7）和第二圆柱销（8）均由螺帽、圆柱形销和底部螺杆三部分组成，将第一圆柱销（7）插入所述的连杆（5）一销孔，并将第一圆柱销（7）通过其底部螺杆固定在所述的旋转载物台（4.2）上，第一圆柱销（7）和连杆（5）形成第一转动副，将第二圆柱销（8）插入所述的连杆（5）另一销孔中，并将第二圆柱销（8）通过其底部螺杆固定在所述的直线伺服控制平台（6）的载物台上，第二圆柱销（8）和连杆（5）形成第二转动副，所述的旋转平台（4）、连杆（5）、直线伺服控制平台（6）、第一圆柱销（7）和第二圆柱销（8）构成曲柄滑块机构，将所述的直线伺服控制平台（6）的直线运动转换为旋转平台（4）的回转运动，实现闪耀光栅（3）旋转，使光束入射到所述的闪耀光栅（3）的入射角发生改变，实现波长精密调谐。

2.根据权利要求1所述的精密波长调谐装置，其特征在于所述的扩束器（1）为棱镜扩束器或望远镜式扩束器，扩束器（1）的扩束率为15~23。

3.根据权利要求1所述的精密波长调谐装置，其特征在于所述的闪耀光栅（3）为反射式光栅，光栅常数为1/94.13mm，闪耀角为79°，波长193nm时的衍射级次为108。

4.根据权利要求1所述的精密波长调谐装置，其特征在于所述的旋转平台（4）由安装底座（4.1）和旋转载物台（4.2）组成，安装底座（4.1）和旋转载物台（4.2）之间采用精密轴承连接，保证旋转载物台（4.2）转动时的稳定性，且旋转载物台（4.2）边缘设计有螺纹孔（4.2.1）。

5.根据权利要求1所述的精密波长调谐装置，其特征在于所述的装置的波长调谐精度为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{2d\cos \mathrm{\α}}{k}(\arccos \frac{{\mathrm{\δl}}^2}{2r\sqrt{L^2-r^2+{\mathrm{\δl}}^2}}-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arctan \frac{\mathrm{\δl}}{\sqrt{L^2-r^2}})$

其中：d、α和k分别为闪耀光栅（3）的光栅常数、光栅闪耀角和衍射级次。δl为直线伺服控制平台（6）的最小位移量，r为旋转平台（4）的中心到螺纹孔（4.2.1）中心的距离，L为连杆（5）的两个销孔中心之间的距离。