CN103235464B - 一种内置式高通量大口径激光频率转换装置 - Google Patents

Abstract

一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，它涉及一种激光频率转换装置。本发明为了实现高通量大口径激光频率的转换。本发明的频率转换模块机构设置在频率转换模块壳体内，机构箱体的一个侧壁上开有光学元件拆装法兰窗口，倍频的第一微驱动机构和第一混频的第一微驱动机构均设置在机构箱体的另一个侧壁内，且第一混频的第一微驱动机构位于倍频的第一微驱动机构的上部，第二混频的第一微驱动机构设置在机构箱体的内壁底端，且第二混频的第一微驱动机构靠近光学元件拆装法兰窗口一侧的机构箱体内壁底端，倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件依次并列设置在机构箱体内。本发明用于高通量大口径激光频率的转换。

Description

一种内置式高通量大口径激光频率转换装置

技术领域

本发明涉及一种高通量大口径高精度光学元件频率转换装置，具体涉及一种内置式高通量大口径激光频率转换装置。

背景技术

高通量大口径激光频率转换装置是真空可控高通量大口径光学聚焦与频率转换系统的重要组成部分，其主要功能是将波长为1.053μm的基频光转换成0.351μm的三倍频光。并采用“I类+II类/II类”晶体级联的方式实现高效率、高强度、高稳定、宽带三次谐波转换。目前尚无成熟的装置实现高通量大口径激光频率的转换装置。

发明内容

本发明的目的是为了实现高通量大口径激光频率的转换，进而提供一种内置式高通量大口径激光频率转换装置。

本发明的技术方案是：一种内置式高通量大口径激光频率转换装置包括频率转换模块壳体和频率转换模块机构，频率转换模块机构设置在频率转换模块壳体内，

所述频率转换模块机构包括机构箱体、倍频调角组件、第一混频调角组件、第二混频调角及移动组件、倍频的第一微驱动机构、第一混频的第一微驱动机构和第二混频的第一微驱动机构，所述机构箱体的一个侧壁上开有光学元件拆装法兰窗口，倍频的第一微驱动机构和第一混频的第一微驱动机构均设置在机构箱体的另一个侧壁内，且第一混频的第一微驱动机构位于倍频的第一微驱动机构的上部，第二混频的第一微驱动机构设置在机构箱体的内壁底端，且第二混频的第一微驱动机构靠近光学元件拆装法兰窗口一侧的机构箱体内壁底端，倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件依次并列设置在机构箱体内，

所述倍频调角组件包括倍频的轴二维镜架、倍频的晶体组件和倍频的第二微驱动机构，倍频的第二微驱动机构设置在倍频的轴二维镜架的底端侧面上，再将倍频的轴二维镜架设置在机构箱体内，倍频的晶体组件穿过光学元件拆装法兰窗口并且无应力装卡在倍频的轴二维镜架上，

所述第一混频调角组件包括第一混频的轴二维镜架、第一混频的晶体组件和第一混频的第二微驱动机构，第一混频的第二微驱动机构设置在第一混频的轴二维镜架的底端侧面上，再将第一混频的轴二维镜架设置在机构箱体内，第一混频的晶体组件穿过光学元件拆装法兰窗口并且装卡在倍频的轴二维镜架上，第一混频的晶体组件包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上，

所述第二混频调角及移动组件包括第二混频的轴二维镜架、第二混频的晶体组件、第二混频的第二微驱动机构、第二混频的间距调整电机和第二混频的滚动导轨组件，第二混频的第二微驱动机构设置在第二混频的轴二维镜架的侧壁外端上部，第二混频的滚动导轨组件设置在第二混频的轴二维镜架的上端，第二混频的间距调整电机设置在第二混频的滚动导轨组件上，再将第二混频调角及移动组件设置在机构箱体内，第二混频的晶体组件穿过光学元件拆装法兰窗口并且装卡在倍频的轴二维镜架上，第二混频的晶体组件包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明能够在狭小的空间内实现大口径倍频的晶体组件、第一混频的晶体组件和第二混频的晶体组件的高精度在线调整，每块晶体组件实现在线二维电动调整运动和一维手动安装调整，一维手动安装调整是绕Z轴用于进行偏振态调整，第二混频的晶体组件能够实现在线纵向，即沿Z轴做电动调整运动；每块晶体二维正交电动调整严格正交且互相独立，正交轴应与组件方形桶壁平行，有效的解决了目前尚无成熟的装置实现高通量大口径激光频率的转换装置的问题。

2.本发明的倍频的晶体组件、第一混频的晶体组件和第二混频的晶体组件的结构相同，均可从频率转换模块侧面拆装窗口进行拆装，拆装方便、快捷。

3.本发明的倍频的晶体组件、第一混频的晶体组件和第二混频的晶体组件的无应力装卡是通过如下环节实现的，以倍频的晶体组件为例进行说明，首先倍频的晶体组件通过内四点双面夹持到倍频的轴二维镜架上，倍频的晶体组件通过一组对称排布的锁紧钢片将其锁紧到倍频的轴二维镜架上，由于锁紧钢片在螺钉锁紧方向上具有很好的柔性，因此螺钉锁紧力不会导致晶体组件的晶体框产生变形，而在其它方向上锁紧钢片具有高刚性，对定位精度无影响，这种卡紧方式的特点是结构简单、卡紧可靠、操作方便且无需顾及卡紧力是否均匀。

附图说明

图1为频率转换模块壳体的立体图；图2是频率转换模块机构的立体图；图3是频率转换模块机构的主视图；图4是图3沿A-A方向的剖视图；图5是图3的后视图；图6是图3沿F-F处的剖视图；图7是图3沿H-H处的剖视图；图8是图4沿K-K方向的剖视图；图9是图3的仰视图；图10是频率转换模块机构左视图下部的剖视图；图11是频率转换模块机构右视图中部的剖视图；图12是倍频调角组件和微驱动机构的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图12说明本实施方式，本实施方式的一种内置式高通量大口径激光频率转换装置包括频率转换模块壳体1和频率转换模块机构2，频率转换模块机构2设置在频率转换模块壳体1内，

所述频率转换模块机构2包括机构箱体3、倍频调角组件、第一混频调角组件、第二混频调角及移动组件、倍频的第一微驱动机构4、第一混频的第一微驱动机构5和第二混频的第一微驱动机构6，所述机构箱体3的一个侧壁上开有光学元件拆装法兰窗口7，倍频的第一微驱动机构4和第一混频的第一微驱动机构5均设置在机构箱体3的另一个侧壁内，且第一混频的第一微驱动机构5位于倍频的第一微驱动机构4的上部，第二混频的第一微驱动机构6设置在机构箱体3的内壁底端，且第二混频的第一微驱动机构6靠近光学元件拆装法兰窗口7一侧的机构箱体3内壁底端，倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件依次并列设置在机构箱体3内，

所述倍频调角组件包括倍频的轴二维镜架8、倍频的晶体组件9和倍频的第二微驱动机构10，倍频的第二微驱动机构10设置在倍频的轴二维镜架8的底端侧面上，再将倍频的轴二维镜架8设置在机构箱体3内，倍频的晶体组件9穿过光学元件拆装法兰窗口7并且无应力装卡在倍频的轴二维镜架8上，

所述第一混频调角组件包括第一混频的轴二维镜架11、第一混频的晶体组件12和第一混频的第二微驱动机构13，第一混频的第二微驱动机构13设置在第一混频的轴二维镜架11的底端侧面上，再将第一混频的轴二维镜架11设置在机构箱体3内，第一混频的晶体组件12穿过光学元件拆装法兰窗口7并且装卡在倍频的轴二维镜架8上，第一混频的晶体组件12包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上，

所述第二混频调角及移动组件包括第二混频的轴二维镜架14、第二混频的晶体组件15、第二混频的第二微驱动机构16、第二混频的间距调整电机17和第二混频的滚动导轨组件18，第二混频的第二微驱动机构16设置在第二混频的轴二维镜架14的侧壁外端上部，第二混频的滚动导轨组件18设置在第二混频的轴二维镜架14的上端，第二混频的间距调整电机17设置在第二混频的滚动导轨组件18上，再将第二混频调角及移动组件设置在机构箱体3内，第二混频的晶体组件15穿过光学元件拆装法兰窗口7并且装卡在倍频的轴二维镜架8上，第二混频的晶体组件15包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上。

本实施方式频率转换装置中的频率转换模块机构2对倍频、混频晶体的匹配角进行精确调整，实现高效频率转换。每片晶体采用有轴正交二维电动调整和一维手动安装调整，有轴正交二维电动调整用于晶体最佳匹配角调整，一维手动安装调整用于进行偏振态调整，两片混频晶体间距可进行一维电动调整，每个晶体组件可从侧面拆装，并实现无应力装卡。

本实施方式包含倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15，其主要功能是将波长为1.053μm的基频光转换成0.351μm的三倍频光。并采用“I类+II类/II类”单倍频双混频三块晶体级联的方式实现高效率、高强度、高稳定、宽带三次谐波转换。

本实施方式的频率转换装置对研究高强度运行条件下三倍频光束的能量转换和传输特性有着重要作用。因此对每块晶体二维角度的调节方式、调节精度提出了较高要求。俯仰X轴和方位Y轴的调节精度达到1″，间距调整精度为1μm，在狭小的空间中能够实现倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15各自的二维独立转角运动，和第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15间距的一维直线调整运动，以及一维偏振态的安装调整功能。所述俯仰X轴的调节通过俯仰电机实现，方位Y轴的调节通过偏摆电机实现。

本实施方式每块晶体X和Y轴调整均采用轴承框架结构形式，分别独立调整，这种结构形式运动精度高、稳定性和可靠性好，在原型装置的运行中已得到验证，Z轴采用轴销结合手轮的方式进行偏振态基准的调整，调整完成后用螺钉锁紧，手轮可卸下，三轴之间没有耦合，第二混频调角及移动组件还有一维直线运动，为了简化结构该维采用俯仰转轴置于滚动溜板上的方式，这是一种半耦合结构，在进行二维角度调整时没有耦合，在进行混频晶体间距调整时，与俯仰角度发生耦合，此时只需使俯仰驱动电机随动相同的步距即可，这种结构布局和支撑方式具有回转精度高、刚度高、运动顺畅、导轨不承受翻转力矩和便于控制等优点，也使结构更加紧凑。

三块晶体的无应力装卡是另一项对频率转换模块转换效率有直接影响，根据原型装置精密装校和实际运行的情况，参考其中一个晶体的自重变形的有限元分析结果，(1)当晶体的自重变形为28.5°时，晶体工作区域的最大变形为1.08μm，(2)当晶体的自重变形为35°时，晶体工作区域的最大变形为1.3μm，(3)当晶体的自重变形为49.5°时，晶体工作区域的最大变形为1.73μm，(4)当晶体的自重变形为55°时，晶体工作区域的最大变形为1.86μm，主机设计中采用了与原型装置不同的晶体装卡方式，晶体通过内四点双面夹持到晶体框上，构成晶体组件，晶体组件通过柔性环节固定到调整机构上，该结构即保证了装卡后的高刚度要求，又消除了锁紧力带来的附加变形。

具体实施方式二：结合图3、图4、图7、图8和图10说明本实施方式，本实施方式的倍频的第一微驱动机构4为倍频的偏摆微驱动机构，倍频的第二微驱动机构10为倍频的俯仰微驱动机构。如此设置，便于实现倍频调角组件的二维调整。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3、图6和图11说明本实施方式，本实施方式的第一混频的第一微驱动机构5为第一混频的偏摆微驱动机构，第一混频的第二微驱动机构13为第一混频的俯仰微驱动机构。如此设置，便于实现第一混频调角组件的二维调整。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图4、图8-图10说明本实施方式，本实施方式的第二混频的第一微驱动机构6为第二混频的俯仰微驱动机构，第二混频的第二微驱动机构16为第二混频的偏摆微驱动机构。如此设置，便于实现第二混频调角及移动组件的二维调整。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图4、图8和图11说明本实施方式，本实施方式的倍频的第二微驱动机构10的位置与第一混频的第二微驱动机构13的位置相错。如此设置，有效的避免了倍频的第二微驱动机构10与第一混频的第二微驱动机构13在安装和使用时发生干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图12说明本实施方式，本实施方式的倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件均还包括卡紧片19、一组锁紧片20、压紧弹片21和偏振态调整钉22，

卡紧片19设置在倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端中部，用于卡紧倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15，

一组锁紧片20对称设置在倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端内部，所述底端内部均为远离光学元件拆装法兰窗口7一侧的倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端，用于锁紧倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15，

压紧弹片21设置在倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端外部，所述底端外部均为靠近光学元件拆装法兰窗口7一侧的倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端，用于压紧倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15，

偏振态调整钉22设置在倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端内部，且位于锁紧片20的上部，所述底端内部均为远离光学元件拆装法兰窗口7一侧的倍频的轴二维镜架8、第一混频的轴二维镜架11和第二混频的轴二维镜架14的底端，用于调整倍频的晶体组件9、第一混频的晶体组件12和第二混频的晶体组件15的偏振态位置。如此设置，结构简单、卡紧可靠、操作方便。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图3、图4、图6-图10说明本实施方式，本实施方式的倍频的第一微驱动机构4、第一混频的第一微驱动机构5、第二混频的第一微驱动机构6、倍频的第二微驱动机构10、第一混频的第二微驱动机构13和第二混频的第二微驱动机构16的结构相同。如此设置，由于以上三组晶体调整组件的七种在线调整运动都采用电控微驱动组件进行驱动，各维微驱动组件的工作原理完全相同，结构大同小异，采用模块式结构，相同的部分构成通用模块，便于生产加工，有利于缩短加工周期，降低成本。其它组成和连接关系与具体实施方式一或六相同。

具体实施方式八：结合图12说明本实施方式，本实施方式的倍频的第一微驱动机构4、第一混频的第一微驱动机构5、第二混频的第一微驱动机构6、倍频的第二微驱动机构10、第一混频的第二微驱动机构13和第二混频的第二微驱动机构16均包括滚动导轨23、螺母座24、滚动螺母25、驱动丝杆26、轴承座27、联轴器28、电机基座29、行星减速器30和电机31，滚动导轨23、轴承座27和电机基座29由左至右依次设置，螺母座24通过滚动螺母25设置在滚动导轨23上，驱动丝杆26的一端穿设在螺母座24内，驱动丝杆26的一端依次与联轴器28、行星减速器30和电机31可转动连接。如此设置，结构简单，易于实现，且微驱动调整更加准确。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图12说明本实施方式，本实施方式的联轴器28设置在轴承座27与电机基座29的左侧之间。如此设置，便于整体结构的统筹安排，同时，有效的保证了联轴器28工作性能。其它组成和连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图12说明本实施方式，本实施方式的行星减速器30和电机31设置在电机基座29右侧。如此设置，便于整体结构的统筹安排。其它组成和连接关系与具体实施方式八或九相同。

Claims (10)

1.一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：它包括频率转换模块壳体(1)和频率转换模块机构(2)，频率转换模块机构(2)设置在频率转换模块壳体(1)内，

所述频率转换模块机构(2)包括机构箱体(3)、倍频调角组件、第一混频调角组件、第二混频调角及移动组件、倍频的第一微驱动机构(4)、第一混频的第一微驱动机构(5)和第二混频的第一微驱动机构(6)，所述机构箱体(3)的一个侧壁上开有光学元件拆装法兰窗口(7)，倍频的第一微驱动机构(4)和第一混频的第一微驱动机构(5)均设置在机构箱体(3)的另一个侧壁内，且第一混频的第一微驱动机构(5)位于倍频的第一微驱动机构(4)的上部，第二混频的第一微驱动机构(6)设置在机构箱体(3)的内壁底端，且第二混频的第一微驱动机构(6)靠近光学元件拆装法兰窗口(7)一侧的机构箱体(3)内壁底端，倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件依次并列设置在机构箱体(3)内，

所述倍频调角组件包括倍频的轴二维镜架(8)、倍频的晶体组件(9)和倍频的第二微驱动机构(10)，倍频的第二微驱动机构(10)设置在倍频的轴二维镜架(8)的底端侧面上，再将倍频的轴二维镜架(8)设置在机构箱体(3)内，倍频的晶体组件(9)穿过光学元件拆装法兰窗口(7)并且装卡在倍频的轴二维镜架(8)上，倍频的晶体组件(9)包括倍频晶体和倍频晶体夹持框，倍频晶体无应力装卡倍频晶体夹持框上，

所述第一混频调角组件包括第一混频的轴二维镜架(11)、第一混频的晶体组件(12)和第一混频的第二微驱动机构(13)，第一混频的第二微驱动机构(13)设置在第一混频的轴二维镜架(11)的底端侧面上，再将第一混频的轴二维镜架(11)设置在机构箱体(3)内，第一混频的晶体组件(12)穿过光学元件拆装法兰窗口(7)并且装卡在倍频的轴二维镜架(8)上，第一混频的晶体组件(12)包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上，

所述第二混频调角及移动组件包括第二混频的轴二维镜架(14)、第二混频的晶体组件(15)、第二混频的第二微驱动机构(16)、第二混频的间距调整电机(17)和第二混频的滚动导轨组件(18)，第二混频的第二微驱动机构(16)设置在第二混频的轴二维镜架(14)的侧壁外端上部，第二混频的滚动导轨组件(18)设置在第二混频的轴二维镜架(14)的上端，第二混频的间距调整电机(17)设置在第二混频的滚动导轨组件(18)上，再将第二混频调角及移动组件设置在机构箱体(3)内，第二混频的晶体组件(15)穿过光学元件拆装法兰窗口(7)并且装卡在倍频的轴二维镜架(8)上，第二混频的晶体组件(15)包括混频晶体和混频晶体夹持框，混频晶体无应力装卡在混频晶体夹持框上。

2.根据权利要求1所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述倍频的第一微驱动机构(4)为倍频的偏摆微驱动机构，倍频的第二微驱动机构(10)为倍频的俯仰微驱动机构。

3.根据权利要求1或2所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述第一混频的第一微驱动机构(5)为第一混频的偏摆微驱动机构，第一混频的第二微驱动机构(13)为第一混频的俯仰微驱动机构。

4.根据权利要求3所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述第二混频的第一微驱动机构(6)为第二混频的俯仰微驱动机构，第二混频的第二微驱动机构(16)为第二混频的偏摆微驱动机构。

5.根据权利要求1、2或4所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述倍频的第二微驱动机构(10)的位置与第一混频的第二微驱动机构(13)的位置相错。

6.根据权利要求5所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述倍频调角组件、第一混频调角组件和第二混频调角及移动组件均还包括卡紧片(19)、一组锁紧片(20)、压紧弹片(21)和偏振态调整钉(22)，

卡紧片(19)设置在倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端中部，用于卡紧倍频的晶体组件(9)、第一混频的晶体组件(12)和第二混频的晶体组件(15)，

一组锁紧片(20)对称设置在倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端内部，所述底端内部均为远离光学元件拆装法兰窗口(7)一侧的倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端，锁紧片(20)用于锁紧倍频的晶体组件(9)、第一混频的晶体组件(12)和第二混频的晶体组件(15)，

压紧弹片(21)设置在倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端外部，所述底端外部均为靠近光学元件拆装法兰窗口(7)一侧的倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端，压紧弹片(21)用于压紧倍频的晶体组件(9)、第一混频的晶体组件(12)和第二混频的晶体组件(15)，

偏振态调整钉(22)设置在倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端内部，且位于锁紧片(20)的上部，所述底端内部均为远离光学元件拆装法兰窗口(7)一侧的倍频的轴二维镜架(8)、第一混频的轴二维镜架(11)和第二混频的轴二维镜架(14)的底端，偏振态调整钉(22)用于调整倍频的晶体组件(9)、第一混频的晶体组件(12)和第二混频的晶体组件(15)的偏振态位置。

7.根据权利要求1或6所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述倍频的第一微驱动机构(4)、第一混频的第一微驱动机构(5)、第二混频的第一微驱动机构(6)、倍频的第二微驱动机构(10)、第一混频的第二微驱动机构(13)和第二混频的第二微驱动机构(16)的结构相同。

8.根据权利要求7所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述倍频的第一微驱动机构(4)、第一混频的第一微驱动机构(5)、第二混频的第一微驱动机构(6)、倍频的第二微驱动机构(10)、第一混频的第二微驱动机构(13)和第二混频的第二微驱动机构(16)均包括滚动导轨(23)、螺母座(24)、滚动螺母(25)、驱动丝杆(26)、轴承座(27)、联轴器(28)、电机基座(29)、行星减速器(30)和电机(31)，滚动导轨(23)、轴承座(27)和电机基座(29)由左至右依次设置，螺母座(24)通过滚动螺母(25)设置在滚动导轨(23)上，驱动丝杆(26)的一端穿设在螺母座(24)内，驱动丝杆(26)的一端依次与联轴器(28)、行星减速器(30)和电机(31)可转动连接。

9.根据权利要求8所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述联轴器(28)设置在轴承座(27)与电机基座(29)的左侧之间。

10.根据权利要求8或9所述一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，其特征在于：所述行星减速器(30)和电机(31)设置在电机基座(29)右侧。