CN103235383A - 大尺寸光栅精密调整装置 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸光栅精密调整装置，由光栅安装框、光栅定位顶丝、光栅俯仰调整平台、安装底座、位移微调旋钮、位移微调旋钮定位顶丝、顶盘、拉簧、拉簧支杆、齿轮组、传动丝杆、轴承、导轨、键、角度微调旋钮、主动齿轮定位块和水平仪组成。本发明具有结构简单、操作方便和调整精度高的优点，可应用于需要对大尺寸光栅进行精密调谐的光学系统中。

Description

大尺寸光栅精密调整装置

技术领域

本发明涉及一种大尺寸光栅精密调整装置，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

在使用大尺寸光栅的光学系统中，最常用的办法是将俯仰调整架和高度调整架组合起来使用，即把大尺寸光栅通过夹具固定在俯仰调整架上，然后将俯仰调整架安装在高度调整架上，从而实现大尺寸光栅的调整。但是，由于大尺寸光栅尺寸较大，造成该方案结构尺寸较大，且稳定性差，很难用于系统中，因此限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸光栅精密调整装置。该装置具有结构紧凑、稳定性好的特点，可应用于激光器的波长调谐和波长稳定控制。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种大尺寸光栅精密调整装置，由光栅安装框、光栅定位顶丝、光栅俯仰调整平台、安装底座、位移微调旋钮、位移微调旋钮定位顶丝、顶盘、拉簧、拉簧支杆、齿轮组、传动丝杆、轴承、导轨、键、角度微调旋钮、主动齿轮定位块和水平仪组成，光栅安装腔上表面开有四个螺纹孔，光栅定位顶丝通过光栅安装框上表面的螺纹孔和光栅安装框相连，大尺寸光栅通过光栅定位顶丝固定在光栅安装框内，光栅安装框和光栅俯仰调整平台之间通过拉簧和位移微调旋钮连接，拉簧的两端通过拉簧支杆分别与光栅安装框和光栅俯仰调整平台相连，位移微调旋钮通过位移微调旋钮定位顶丝固定在光栅安装框的边缘，在光栅俯仰调整平台上与位移微调旋钮对应的位置开圆槽，顶盘通过胶粘的方式固定在圆槽内，顶盘共三个，均为圆柱状，第一顶盘开有“V”型槽，并且安装时“V”型槽底部与光栅长度方向平行，第二顶盘开有圆锥型槽，位移微调旋钮与顶盘相接触，通过对位移微调旋钮进行旋转，可实现对光栅俯仰角度的调整，水平仪固定在光栅安装框的上表面，用以指示光栅的水平性，齿轮组由主动齿轮和从动齿轮组成，安装底座和光栅俯仰调整平台之间通过导轨和传动丝杆相连接，轴承的外径与安装底座之间通过过盈配合相连接，传动丝杆由底部两个圆柱形台阶、键槽和上端精密丝杆三部分组成，传动丝杆从底至上分别连接轴承内径、从动齿轮和光栅俯仰调整平台，传动丝杆与轴承内径之间采用过盈配合，传动丝杆和从动齿轮之间采用键连接传动力矩，传动丝杆和光栅俯仰调整平台之间采用螺纹连接，通过转动角度微调旋钮，带动主动齿轮的旋转，通过齿轮组啮合带动从动齿轮旋转，从动齿轮通过键连接带动传动丝杆转动，从而实现光栅俯仰调整平台的高度调整，即实现大尺寸光栅的高度调整。

所述的光栅安装框采用一体化设计，两端开有半圆形通槽，便于光栅的安装和调试。

塑料材质的光栅垫板用于安装大尺寸光栅，置于光栅定位顶丝和大尺寸光栅之间。

所述的装置的俯仰调谐精度为：

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{1}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{a^2{b}^2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{4a^2}+1}}$

其中：α为光栅俯仰调整平台法线的调整角度，a为第一位移微调旋钮到第二位移微调旋钮和第三位移微调旋钮连接线的距离，b为第二位移微调旋钮和第三位移微调旋钮之间的距离，δ_min为位移微调旋钮的精度，即最小位移量。

所述的装置的高度调谐精度为：

$H=\frac{\mathrm{\θP}}{2\mathrm{\πi}}$

其中：θ为角度微调旋钮的精度，即最小角位移量，P为传动丝杆的螺距，i为齿轮组的传动比。

本发明的技术效果：

本发明可实现大尺寸光栅高精度调谐，与传统方法相比，优势在于：通过对传统方法的优化，使其结构简化、调谐精度提高、重量减轻、成本降低，并可根据水平仪调谐和监测光栅的水平度，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、图2、图3和图4为本发明大尺寸光栅精密调整装置结构示意图。

图5为俯仰调整机构示意图。

图6为高度调整机构示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4，图1、图2、图3和图4是本发明大尺寸光栅精密调整装置结构示意图。由图可见，本发明大尺寸光栅精密调整装置，该装置由光栅安装框1、光栅定位顶丝3、光栅俯仰调整平台4、安装底座5、位移微调旋钮6、位移微调旋钮定位顶丝7、顶盘8、拉簧9、拉簧支杆10、齿轮组11、传动丝杆12、轴承13、导轨14、键15、角度微调旋钮16、主动齿轮定位块17和水平仪18组成，光栅安装腔1上表面开有四个螺纹孔，光栅定位顶丝3通过光栅安装框1上表面的螺纹孔和光栅安装框1相连，大尺寸光栅通过光栅定位顶丝3固定在光栅安装框1内，光栅安装框1和光栅俯仰调整平台4之间通过拉簧9和位移微调旋钮6连接，拉簧9的两端通过拉簧支杆10分别与光栅安装框1和光栅俯仰调整平台4相连，位移微调旋钮6通过位移微调旋钮定位顶丝7固定在光栅安装框1的边缘，在光栅俯仰调整平台4上与位移微调旋钮6对应的位置开圆槽，顶盘8通过胶粘的方式固定在圆槽内，顶盘8共三个，均为圆柱状，第一顶盘8.1开有“V”型槽，并且安装时“V”型槽底部与光栅长度方向平行，第二顶盘8.2开有圆锥型槽，位移微调旋钮6与顶盘8相接触，通过对位移微调旋钮6进行旋转，可实现对光栅俯仰角度的调整，水平仪18固定在光栅安装框1的上表面，用以指示光栅的水平性，齿轮组11由主动齿轮11.1和从动齿轮11.2组成，安装底座5和光栅俯仰调整平台4之间通过导轨14和传动丝杆12相连接，轴承13的外径与安装底座5之间通过过盈配合相连接，传动丝杆12由底部两个圆柱形台阶、键槽和上端精密丝杆三部分组成，传动丝杆12从底至上分别连接轴承13内径、从动齿轮11.2和光栅俯仰调整平台4，传动丝杆12与轴承13内径之间采用过盈配合，传动丝杆12和从动齿轮11.2之间采用键15连接传动力矩，传动丝杆12和光栅俯仰调整平台4之间采用螺纹连接，通过转动角度微调旋钮16，带动主动齿轮11.2的旋转，通过齿轮组11啮合带动从动齿轮11.2旋转，从动齿轮11.2通过键15连接带动传动丝杆12转动，从而实现光栅俯仰调整平台4的高度调整，即实现大尺寸光栅的高度调整。

所述的光栅安装框1采用一体化设计，两端开有半圆形通槽，便于光栅的安装和调试。

塑料材质的光栅垫板2用于安装大尺寸光栅，置于光栅定位顶丝3和大尺寸光栅之间。

本发明采用“三顶三拉”原理实现大尺寸光栅俯仰的调整，其结构示意图请参阅图5，“三顶三拉”机构是光学系统中一种常用的机械结构，在本发明中，由于大尺寸光栅的跨度较大，将其优化为三顶六拉结构，它将位移微调旋钮6的直线运动（“三顶”）转化为光栅俯仰平台4的俯仰调整，第一位移微调旋钮6.1、第二位移微调旋钮6.2、第三位移微调旋钮6.3的位置分别简化为点A、B、C，可假设初始时刻，光栅俯仰调整平台4保持水平，因此，三个位移微调旋钮6的位置坐标分别为：A（-b/2,0,0），B(b/2,0,0),C(0,a,0),其中，a为第一位移微调旋钮6.1到第二位移微调旋钮6.2和第三位移微调旋钮6.3连接线的距离，b为第二位移微调旋钮6.2和第三位移微调旋钮6.3之间的距离。当对俯仰进行调整时，可假设A、C保持静止，B沿Z轴运动，设δ_min为位移微调旋钮6的精度，即最小位移量，则B点的坐标为B(b/2,0,)，则：

$\stackrel{\→}{\mathrm{CA}}=(-\frac{b}{2},-a,0),---\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{CB}}=(\frac{b}{2},-a,{\mathrm{\δ}}_{\min }),---\left(2\right)$

根据式（1）和（2），可求得光栅俯仰调整平台4的法向量调整为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}=\stackrel{\→}{\mathrm{CA}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{CB}}=(-a{\mathrm{\δ}}_{\min },\frac{b}{2}{\mathrm{\δ}}_{\min },\mathrm{ab}),---\left(3\right)$

由光栅俯仰调整平台4在调整前的法向量为γ=（0,0,1），可得：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}\right|}=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{a^2{\mathrm{\δ}}_{\min }^2+\frac{b^2{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{4}+a^2{b}^2}},---\left(4\right)$

综上所述，当位移微调旋钮6沿z轴方向移动δ_min时，光栅俯仰调整平台4转动的角度，即光栅俯仰调整精度为：

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{1}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{a^2{b}^2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{{4a}^2}+1}}---\left(5\right)$

其中：a=270mm，b=23mm，δ_min=1μm，代入式（5），可得：

在传统方法中，一般选用的高精度俯仰调整架的精度为0.02°，因此本，发明中所涉及的方法能够将光栅俯仰调整的精度提高8倍，且结构简单，操作方便。

高度调整机构的示意图如图6所示，角度微调旋钮16和主动齿轮11.1同轴转动，主动齿轮11.1带动从动齿轮11.2旋转，传动丝杆12和从动齿轮11.2同轴旋转，假设角度微调旋钮16的最小角位移量为δ_min，齿轮组11的传动比为i，则当角度微调旋钮16转过δ_min角度时，从动齿轮11.2转动的角度为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\min }}{i}---\left(7\right)$

假设传动丝杆12的螺距为P，由于传动丝杆12和从动齿轮11.2同轴旋转，因此，当从动齿轮11.2转过θ角时，大尺寸光栅的高度调整量（调整精度）为：

$H=\frac{{\mathrm{P\ϵ}}_{\min }}{2\mathrm{\πi}},---\left(8\right)$

其中：P=1mm，ε_min=0.01rad，i=10，代入式（8）可得大尺寸光栅的高度调整精度为：

$H=\frac{{\mathrm{P\ϵ}}_{\min }}{2\mathrm{\πi}}=\frac{1\×0.01}{2\mathrm{\π}\×10}\mathrm{mm}=1.59\×{10}^{-4}\mathrm{mm}---\left(9\right)$

在传统方法中，一般选用的高精度高度调整架的调整精度为0.003mm，因此，本发明中所涉及的方法不仅结构简单，而且高度调整精度得到明显提高。

综上所述，与传统方法相比，本发明所提及的大尺寸光栅调整装置结构简单，质量轻，光栅俯仰调整的精度提高8倍，光栅高度调整机构的精度提高18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)

1.一种大尺寸光栅精密调整装置，由光栅安装框（1）、光栅定位顶丝（3）、光栅俯仰调整平台（4）、安装底座（5）、位移微调旋钮（6）、位移微调旋钮定位顶丝（7）、顶盘（8）、拉簧（9）、拉簧支杆（10）、齿轮组（11）、传动丝杆（12）、轴承（13）、导轨（14）、键（15）、角度微调旋钮（16）、主动齿轮定位块（17）和水平仪（18）组成，光栅安装腔（1）上表面开有四个螺纹孔，光栅定位顶丝（3）通过光栅安装框（1）上表面的螺纹孔和光栅安装框（1）相连，大尺寸光栅通过光栅定位顶丝（3）固定在光栅安装框（1）内，光栅安装框（1）和光栅俯仰调整平台（4）之间通过拉簧（9）和位移微调旋钮（6）连接，拉簧（9）的两端通过拉簧支杆（10）分别与光栅安装框（1）和光栅俯仰调整平台（4）相连，位移微调旋钮（6）通过位移微调旋钮定位顶丝（7）固定在光栅安装框（1）的边缘，在光栅俯仰调整平台（4）上与位移微调旋钮（6）对应的位置开圆槽，顶盘（8）通过胶粘的方式固定在圆槽内，顶盘（8）共三个，均为圆柱状，第一顶盘（8.1）开有“V”型槽，并且安装时“V”型槽底部与光栅长度方向平行，第二顶盘（8.2）开有圆锥型槽，位移微调旋钮（6）与顶盘（8）相接触，通过对位移微调旋钮（6）进行旋转，可实现对光栅俯仰角度的调整，水平仪(18)固定在光栅安装框（1）的上表面，用以指示光栅的水平性，齿轮组（11）由主动齿轮（11.1）和从动齿轮（11.2）组成，安装底座（5）和光栅俯仰调整平台（4）之间通过导轨（14）和传动丝杆（12）相连接，轴承（13）的外径与安装底座（5）之间通过过盈配合相连接，传动丝杆（12）由底部两个圆柱形台阶、键槽和上端精密丝杆三部分组成，传动丝杆（12）从底至上分别连接轴承（13）内径、从动齿轮（11.2）和光栅俯仰调整平台（4），传动丝杆（12）与轴承（13）内径之间采用过盈配合，传动丝杆（12）和从动齿轮（11.2）之间采用键（15）连接传动力矩，传动丝杆（12）和光栅俯仰调整平台（4）之间采用螺纹连接，通过转动角度微调旋钮（16），带动主动齿轮（11.2）的旋转，通过齿轮组（11）啮合带动从动齿轮（11.2）旋转，从动齿轮（11.2）通过键（15）连接带动传动丝杆（12）转动，从而实现光栅俯仰调整平台（4）的高度调整，即实现大尺寸光栅的高度调整。

2.根据权利要求1所述的大尺寸光栅精密调整装置，其特征在于所述的光栅安装框（1）采用一体化设计，两端开有半圆形通槽，便于光栅的安装和调试。

3.根据权利要求1所述的大尺寸光栅精密调整装置，其特征在于还有塑料材质的光栅垫板（2），用于安装大尺寸光栅，置于光栅定位顶丝（3）和大尺寸光栅之间。

4.根据权利要求1所述的大尺寸光栅精密调整装置，其特征在于所述的装置的俯仰调谐精度为：

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{1}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{a^2{b}^2}+\frac{{\mathrm{\δ}}_{\min }^2}{4a^2}+1}}$

其中：α为光栅俯仰调整平台（4）法线的调整角度，a为第一位移微调旋钮（6.1）到第二位移微调旋钮（6.2）和第三位移微调旋钮（6.3）连接线的距离，b为第二位移微调旋钮（6.2）和第三位移微调旋钮（6.3）之间的距离，δ_min为位移微调旋钮（6）的精度，即最小位移量。

5.根据权利要求1所述的大尺寸光栅精密调整装置，其特征在于所述的装置的高度调谐精度为：

$H=\frac{\mathrm{\θP}}{2\mathrm{\πi}}$

其中：θ为角度微调旋钮（16）的精度，即最小角位移量，P为传动丝杆（12）的螺距，i为齿轮组（11）的传动比。

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