CN104300353A - 新型光路切换机构 - Google Patents

Abstract

新型光路切换机构，包括沿光线照射方向顺次设置的全反镜、聚光腔、饱和吸收体、输出镜、导轨、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜，聚光腔内设有YAG晶体和氙灯，导轨的方向与光线方向垂直，导轨上滚动连接有反射镜组，反射镜组包括支架，支架下设有沿导轨滚动且可锁紧定位的滚轮，支架上设有平行设置的第一反射镜和第二反射镜，光线依次通过全反镜、YAG晶体、饱和吸收体、输出镜、第一反射镜、第二反射镜、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜。本发明采用新型光路切换机构，对驱动系统刚度、驱动力、锁紧机构要求不高，仅需将反射镜组调节到较高精度即可，这样更加易于调节且调节精度高。

Description

新型光路切换机构

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种新型光路切换机构。 

背景技术

为满足不同工作模式、不同功能的需要，在同一激光器中，有时需要两种激光波长互相切换。据报道，美军几乎所有的机载对地目标测照激光装备都实现了1.06μm和1.57μm 两种激光波长输出能力。两种波长可以根据作战任务和应用场合自由切换。其中，1.06μm波长用于作战模式，1.57μm波长用于训练模式。目前，实现双波长自由切换是激光工程应用领域研究的一个热点。 

在双波长的产生方面，国内外都做了大量的研究。其中，采用光参量振荡技术将1.06μm波长的激光调谐到1.57μm波长是常用的一种方法。 

在双波长切换输出方面，主要将光参量振荡器(OPO)谐振腔部分放在一个可移动的整体板上，采用伺服机构控制其在光路内外切换，从而实现不同波长的激光输出。但这种切换方法结构复杂，切换机构需要很高的设计和加工精度保证。目前，还没有哪种切换机构，在对伺服机构加工、控制精度要求不高的情况下，能保证很高的调节精度。 

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、易于调节、调节精度高的新型光路切换机构。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：新型光路切换机构，包括沿光线照射方向顺次设置的全反镜、聚光腔、饱和吸收体、输出镜、导轨、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜，聚光腔内设有YAG晶体和氙灯，导轨的方向与光线方向垂直，导轨上滚动连接有反射镜组，反射镜组包括支架，支架下设有沿导轨滚动且可锁紧定位的滚轮，支架上设有平行设置的第一反射镜和第二反射镜，光线依次通过全反镜、YAG晶体、饱和吸收体、输出镜、第一反射镜、第二反射镜、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜。 

第一反射镜和第二反射镜的镜面均与光线呈45°夹角。 

采用上述技术方案，本发明为有效减小双波长激光器光路切换的难度，达到免调切换的目的，采用了一种新的结构型式。将OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜从主光路中移出，则通常情况下可输出1.06μm波长激光。当需输出1.57μm波长激光时，则通过第一反射镜和第二反射镜将主光路导入OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜。 

若仅依靠移动第一反射镜实现切换目的，则对第一反射镜的定位精度要求依旧很高。且反射镜对角度误差还有放大作用，更不利于激光的光轴一致性。为有效解决这一问题，将第一反射镜和第二反射镜先固定在一起，并将第一反射镜和第二反射镜两个反射面调至平行，构成一反射镜组。将反射镜组安装在支架上，支架通过滚轮设在滚动连接在导轨上，通过伺服机构控制其在主光路内外切换。由于反射镜组的两反射面互相平行，无论在何位置均能保证出射光线与入射光线的距离和平行度，只要入射光完全进入第一反射镜即可，因此很容易保证调节精度。本发明采用滚动调节方式，与滑动调节相比具有更高的精度，且摩擦力小，不易磨损。尽管其刚度比滑动式导轨差一些，但可采用锁紧机构来提高刚度，且采用反射镜组的形式也可以大大消除导轨晃动对光学系统的影响，从而满足使用要求。 

本发明采用新型光路切换机构，对驱动系统刚度、驱动力、锁紧机构要求不高，仅需将反射镜组调节到较高精度即可。由于反射镜组在工作过程中两反射面相对静止不动，因此只需一次精密调节，即可实现每次光路切换的精度要求，达到免调切换的目的。由于导轨精度对切换机构的定位定向精度几乎没有影响，因此，可以采用刚度稍差的滚动导轨，从而减小驱动系统的驱动力。本发明也不需要复杂的定位锁紧机构，采用行程开关即可满足定位要求。 

附图说明

图1为1.06μm波长激光器的结构原理示意图； 

图2为1.57μm波长激光器的结构原理示意图；

图3为本发明的结构原理示意图图；

图4为反射镜组精度分析图；

图5为导轨定向误差与定位误差关系示意图；

图6为本发明在用于同轴输出时的结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，1.06μm波长激光器主要包括以下器件：全反镜1、聚光腔2、饱和吸收体3、输出镜4、YAG晶体5和氙灯6。 

采用光参量振荡器(OPO)进行变频的1.57μm波长激光器如图2所示，全反镜1、 聚光腔2、饱和吸收体3、输出镜4、YAG晶体5、氙灯6、OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8、OPO谐振腔输出镜9和OPO谐振腔10。 

由图1和图2可知，1.06μm波长激光器和1.57μm波长激光器的区别在于1.57μm波长激光器多了1.57μm OPO谐振腔。因此，通过将OPO谐振腔移进移出光路，可实现激光器在1.06μm和1.57μm两个波段之间切换。但是，由于激光器光轴一致性要求，OPO谐振腔在移入时应保证与原光轴同轴：既要保证光轴的定向精度，又要保证光轴的位置精度。 

如图3所示，本发明的新型光路切换机构，包括沿光线照射方向顺次设置的全反镜1、聚光腔2、饱和吸收体3、输出镜4、导轨12、OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8和OPO谐振腔输出镜9，聚光腔2内设有YAG晶体5和氙灯6，导轨12的方向与光线方向垂直，导轨12上滚动连接有反射镜组，反射镜组包括支架，支架下设有沿导轨12滚动且可锁紧定位的滚轮，支架上设有平行设置的第一反射镜10和第二反射镜11，光线依次通过全反镜1、YAG晶体5、饱和吸收体3、输出镜4、第一反射镜10、第二反射镜11、OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8和OPO谐振腔输出镜9。 

第一反射镜10和第二反射镜11的镜面均与光线呈45°夹角。 

本发明为有效减小双波长激光器光路切换的难度，达到免调切换的目的，采用了一种新的结构型式。将OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8和OPO谐振腔输出镜9从主光路中移出，则通常情况下可输出1.06μm波长激光。当需输出1.57μm波长激光时，则通过第一反射镜10和第二反射镜11将主光路导入OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8和OPO谐振腔输出镜9。 

若仅依靠移动第一反射镜10实现切换目的，则对第一反射镜10的定位精度要求依旧很高。且反射镜对角度误差还有放大作用，更不利于激光的光轴一致性。为有效解决这一问题，将第一反射镜10和第二反射镜11先固定在一起，并将第一反射镜10和第二反射镜11两个反射面调至平行，构成一反射镜组。将反射镜组安装在支架上，支架通过滚轮设在滚动连接在导轨12上，通过伺服机构控制其在主光路内外切换。由于反射镜组的两反射面互相平行，无论在何位置均能保证出射光线与入射光线的距离和平行度，只要入射光完全进入第一反射镜10即可，因此很容易保证调节精度。本发明采用滚动调节方式，与滑动调节相比具有更高的精度，且摩擦力小，不易磨损。尽管其刚度比滑动式导轨12差一些，但可采用锁紧机构来提高刚度，且采用反射镜组的形式也可以大大消除导轨12晃动对光学系统的影响，从而满足使用要求。 

OPO谐振腔的重复定向精度主要依靠导轨12精度保证。要达到0.1mrad的重复定向精度，对于100mm长的导轨12来说，导轨12间隙应小于100×tan(0.000 1)=0.01mm。尽管目前的高精度导轨12可以满足这一需求，但加工十分困难，合格率低。且由于导轨12的磨损，长时间应用时也会降低导轨12精度。另外，为保证0.1mm的重复定位精度，还必须设计复杂精密的锁紧机构。 

如图4所示，采用移动OPO谐振腔的工作模式，当将OPO谐振腔移进光路后，光轴定向精度取决与导轨12的重复精度及定位精度。为保证系统刚度，采用滑动导轨12。设导轨12长100mm，间隙0.01mm，则最大重复定位误差为arctan（0.01/100）=0.1 mrad。但此时加工精度已达到国标4级，加工非常困难。除了角度误差，还有定位误差。当滑动导轨12定位误差为1mm时，OPO谐振腔的光轴与系统主光轴的偏差也达到1mm，无法满足使用要求。因此，为满足系统对定位误差的要求，必须设计复杂精密的定位机构。 

采用移动反射镜组的工作模式，反射镜组两反射面可以事先调节到很高的平行度。设调整后两反射镜平行度误差为θ。则两反射镜所在平面必有一条交线。为便于理解，先分析一种特殊情况。当交线与反射镜组安装面平行时，若主光路从反射镜1的入射角度为45°，如图4所示，经反射镜组反射后光路与主光路夹角为2θ。当反射镜组绕垂直于安装面轴线方向偏转α角时，经反射镜组反射后光路与主光路夹角仍为2θ。 

事实上，反射镜2相对反射镜1的偏角θ和导轨12误差引起的反射镜组的偏角α是随机的空间角，不可能刚好处于安装平面内。如图4所示，设反射镜1与反射镜组安装面交线方向为X轴，反射镜1法线方向为Y轴，反射镜组安装面法线方向为Z轴，三者构成右手坐标系OXYZ。如图4所示，当反射镜组在理论位置上时，记为O_LX_LY_LZ_L。在此坐标系下，主光轴矢量P=[1，-1，0]。 

当反射镜组偏离理论位置α角时，坐标系OXYZ随反射镜1也偏转α角。此角度可分解为先绕X轴旋转α_X，然后绕Y轴旋转α_Y，再绕Z轴旋转α_Z。主光轴矢量在坐标系OXYZ内的方向矢量为： 

P1=P·Tx·T_Y·T_Z。

其中 

 

 

 

经计算得：

 

令P1=[A B C]，

 

由于反射镜1的反射面为OXZ平面，因此，在OXYZ坐标系下，主光路经反射镜1反射后的方向矢量为：

 

反射镜2与反射镜1夹角为θ，则其必有一交线，该交线在OXZ平面内，与Z轴有一夹角β。以反射镜2与反射镜1交线作为Z’轴，以反射镜2法向作为Y’轴。建立坐标系O’X’Y’Z’。

主光路经反射镜1反射后的光路方向在坐标系O’X’Y’Z’内的方向矢量为： 

Q2=Q1·M_Y·M_Z

其中

 

 

由于反射镜2的反射面为O’X’Z’平面，因此，在O’X’Y’Z’坐标系下，主光路经反射镜1、反射镜2反射后的方向矢量为：

 

在O’X’Y’Z’坐标系下，主光路的方向矢量为

P2=P1·M_Y·M_Z

则主光路经反射镜组反射后的方向与主光路方向的夹角

 

其中

 

令，A=tsinγ，B=tcosγ，

则

 

由于余弦函数在[0，π/2]区间内递减，因此

 

由分析可知，采用反射镜组的切换机构，其重复定向精度与导轨12精度几乎无关，误差主要取决于反射镜组的装调精度。通过将运动机构的精度转化为静止机构的精度，从而大大减小了激光波长切换时光轴不确定度。

对于反射镜组的调节精度，目前将其保证在0.03mrad是可以做到的。因此，采用反射镜组的切换方式可以达到0.06mrad的定向精度。 

由于两反射镜的距离恒定，因此，只要激光光路完全落入反射镜有效范围内，即可满足其定位精度要求。定位精度误差包括两反射面不平行引起的定位误差Δs和反射镜组偏转引起的定位误差Δd，如图4所示。 

Δs取决与反射镜2中心与OPO晶体8的距离s和主光路与反射后光路的夹角δ。而δ≤2θ。如图4所示，由两反射面不平行引起的定位误差Δs不大于s·tan2θ。 

Δd取决于两镜片中心距离d和导轨12精度α，如图5所示，由导轨12定向误差引起的定位误差Δd约为d·tanα。 

适当选取镜片有效尺寸，可以忽略导轨12定位精度对光路切换机构定位精度的影响。由于θ和α是空间角，两者引起的定向误差基本不会在同一方向上，因此系统总的定位误差必定小于两者的和。当s=50mm，d=60mm，θ=0.03mrad，α=1mrad时，系统总的定位误差 

Δ≤Δs+Δd≤s·tan2θ+d·tanα=50×0.000 06+60×0.001=0.063mm<0.1mm。

满足使用要求。 

本发明的主要精度取决于反射镜组的装调精度。反射镜组可以由两块反射镜装调而成，也可以采用一块反射棱镜。 

当两种波长的激光需要同轴输出时，可采用图6所示结构。图6中的各个器件分为为：全反镜1、 聚光腔2、饱和吸收体3、输出镜4、YAG晶体5、氙灯6、OPO谐振腔全反镜7、OPO晶体8、OPO谐振腔输出镜9、第一反射镜10、第二反射镜11和导轨12，其中导轨12为U型结构，第一反射镜10和第二反射镜11构成的反射镜组设有两个。 

除了本发明提到的双波段激光器外，其他需要使用导轨12或旋转反射镜进行光路切换的产品也可使用本发明。 

上述实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。 

Claims (2)

1.新型光路切换机构，其特征在于：包括沿光线照射方向顺次设置的全反镜、聚光腔、饱和吸收体、输出镜、导轨、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜，聚光腔内设有YAG晶体和氙灯，导轨的方向与光线方向垂直，导轨上滚动连接有反射镜组，反射镜组包括支架，支架下设有沿导轨滚动且可锁紧定位的滚轮，支架上设有平行设置的第一反射镜和第二反射镜，光线依次通过全反镜、YAG晶体、饱和吸收体、输出镜、第一反射镜、第二反射镜、OPO谐振腔全反镜、OPO晶体和OPO谐振腔输出镜。

2.根据权利要求1所述的新型光路切换机构，其特征在于：第一反射镜和第二反射镜的镜面均与光线呈45°夹角。