CN105974579B - 基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，属于光学技术领域。包括激光器、光纤耦合器、单模光纤、精密直线位移驱动器、五维调整架、离轴抛物面镜及控制终端；单模光纤输入端固定于光纤耦合器上，单模光纤的输出端位于精密直线位移驱动器的端平面内，并与端平面齐平；精密直线位移驱动器固定于五维调整架上，且与控制终端相连，控制终端能够控制精密直线位移驱动器带动单模光纤的输出端在离轴抛物面镜的焦平面内作直线运动。该装置具有出射光束口径大，光束平行质量好，结构简单紧凑，调节方便等特点，关键还能够实现大口径平行光束的角度偏转，适应大范围测量，降低了大范围测量的复杂度和难度。

Description

基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置。
背景技术
在光学应用中，对激光准直扩束后的光束进行一定的角度偏转经常出现在光学干涉测量、全息等领域中。通常激光的准直扩束由两组透镜和空间光滤波器组成，受限于现有的透镜加工技术以及像差的影响，透镜的口径较小且一般在几十个毫米左右，从而限制了光束口径的大小。所以每次可测量的区域也较小，对一个大面积的被测物往往需要多次测量然后进行图像拼接等操作才能获得最终的测量结果，这大大增加了测量系统以及数据处理的难度和复杂度；在对小尺寸光束进行角度偏转时，通常是在光路中加入一组4f透镜，通过对透镜的微小移动实现光束角度偏转，参见郭晓明,陈晨,王文生.基于数字全息的三维面形测试[J].长春理工大学学报:自然科学版,2015(1).；或者利用旋转台控制反射镜进行角度偏转，参见Peng Z,Song Q,Li J.A sample test on the tilt angle of objectlight illumination in digital holographic 3D surface shape detection[J].ProcSPIE,2007:683212-683212-7；当所需光束口径较大时，由于移动透镜的方法本身限制了光束口径，而且大面积的反射镜的制造安装及其稳定性也是个难题，因此这两种光束偏转方法都不适用。目前在测量过程中，大口径平行光束的角度改变仍然存在着很大的困难。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，该装置结构设计合理，简单实用，可同时实现大口径平行光束的获取及其角度的改变。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，包括激光器、光纤耦合器、单模光纤、精密直线位移驱动器、五维调整架、离轴抛物面镜及控制终端；
单模光纤输入端固定于光纤耦合器上，单模光纤的输出端位于精密直线位移驱动器的端平面内，并与端平面齐平；精密直线位移驱动器固定于五维调整架上，且与控制终端相连，控制终端能够控制精密直线位移驱动器带动单模光纤的输出端在离轴抛物面镜的焦平面内作直线运动。
单模光纤的输出端初始位置位于离轴抛物面镜的焦点上。
精密直线位移驱动器的端平面与离轴抛物面镜的焦平面重合。
离轴抛物面镜的焦平面与离轴抛物面镜的光轴的夹角小于90°。
当单模光纤的输出端在离轴抛物面镜的焦平面内作直线运动时，单模光纤的输出端在离轴抛物面镜的焦平面上偏离焦点，得到与离轴抛物面镜的光轴具有夹角的倾斜平面波，且该夹角小于90°。
五维调整架能够实现X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，利用激光器产生激光，激光通过光纤耦合器进单模光纤输入端中，单模光纤输出端产生球面光波；通过五维调整架调节，使精密直线位移驱动器端平面与离轴抛物面镜焦平面重合，并使单模光纤输出端与离轴抛物面镜的焦点重合，以此作为单模光纤输出端的初始位置；此时，单模光纤输出端发出的球面波经离轴抛物面镜转换为与离轴抛物面镜光轴平行的平面光波；由于单模光纤的输出端位于精密直线位移驱动器端平面内，通过控制终端控制精密直线位移驱动器带动单模光纤的输出端在离轴抛物面镜焦平面内直线运动，经离轴抛物面镜的转换，可以得到与离轴抛物面镜光轴成一定角度θ的平面光波。该装置具有出射光束口径大，光束平行质量好，结构简单紧凑，调节方便等特点，关键还能够实现大口径平行光束的角度偏转，适应大范围测量，降低了大范围测量的复杂度和难度。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的大口径平行光束角度改变示意图。
图中，1为激光器；2为光纤耦合器；3为单模光纤；4为精密直线位移驱动器；5为五维调整架；6为离轴抛物面镜；7为控制终端；F为离轴抛物面镜的焦点，FP为离轴抛物面镜的焦平面，L为离轴抛物面镜的光轴，α为离轴抛物面镜的焦平面FP与光轴L的夹角，θ为倾斜平面波在离轴抛物面镜子午面内与光轴的夹角。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，包括激光器1、光纤耦合器2、单模光纤3、精密直线位移驱动器4、五维调整架5、离轴抛物面镜6及控制终端7(可以是计算机、平板电脑、移动通讯设备等终端)。光纤耦合器2具备将激光器1激光束耦合入单模光纤3的能力。单模光纤3输入端固定于光纤耦合器2上，输出端固定于精密直线位移驱动器4上并与精密直线位移驱动器4的端面平齐；精密直线位移驱动器位4固定于五维调整架5上，该五维调整架5可以进行空间五维调节(能够实现X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整)，用于实现精密直线位移驱动器4端平面与离轴抛物面镜6的焦平面重合；所述精密直线位移驱动器4具备微位移的能力；能够控制单模光纤3的输出端进行直线位移。所述离轴抛物面镜6的焦平面与离轴抛物面镜6光轴的夹角α满足：α<90°。
图1所示的平面光波为光束角度的初始状态，调整过程中，利用五维调整架5使精密直线位移驱动器4端平面与离轴抛物面镜6焦平面FP重合；激光器1作为光源产生激光束，并耦合进单模光纤3的输入端，在其输出端发出球面光波；在FP面内利用五维调整架5对单模光纤3的输出端进行二维调节，使单模光纤3的输出端位于离轴抛物面镜6的焦点F上；经过离轴抛物面镜6的转换，输出端的球面光波准直为与离轴抛物面镜6光轴L平行的平面光波，并以此为系统的初始状态。
参见图2，为本发明中的光束角度改变示意图，通过控制终端7控制精密直线位移驱动器4，使得单模光纤3的输出端在离轴抛物面镜6焦平面内直线运动，经过离轴抛物面镜6的准直作用，得到与初始平面波成夹角θ的倾斜平面波，该夹角θ小于90°。
本发明装置的工作原理如下：
激光器1作为光源产生激光束通过光纤耦合器2耦合到单模光纤3的输入端中，在单模光纤3的输出端形成球面光波；通过五维调整架5使精密直线位移驱动器4的端平面与离轴抛物面镜6的焦平面重合；再通过五维调整架5在离轴抛物面镜6的焦平面上进行二维调节使单模光纤3的输出端位于离轴抛物面镜6的焦点上，并以此作为单模光纤3输出端的初始位置；在离轴抛物面镜6的准直作用下，单模光纤3输出端的球面波转换为与离轴抛物面镜6光轴平行的平面光波；通过计算机7控制精密直线位移驱动器4带动单模光纤3的输出端在离轴抛物面镜6焦平面内直线运动，经离轴抛物面镜6的转换，可以得到与离轴抛物面镜6光轴成一定角度θ的平面光波，从而实现大口径平行光束角度的偏转。
综上所述，本发明公开的离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，由激光器，光纤耦合器，单模光纤，精密直线位移驱动器，五维调整架，离轴抛物面镜及控制终端组成；所述激光器发出的激光依次经过光纤耦合器、单模光纤、离轴抛物面镜；所述单模光纤输出端固定于精密直线位移驱动器上；所述精密直线位移驱动器由控制终端控制并固定于五维调整架上；所述单模光纤输出端的初始位置位于离轴抛物面镜的焦点上并与精密直线位移驱动器端面平齐；所述精密直线位移驱动器端面与离轴抛物面镜焦平面重合；本发明具有出射光束口径大、光束平行质量好、结构简单紧凑、调节方便等特点，关键是能够实现对大口径准直光束的角度偏转高精度控制。

Claims (6)

1.一种基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，包括激光器(1)、光纤耦合器(2)、单模光纤(3)、精密直线位移驱动器(4)、五维调整架(5)、离轴抛物面镜(6)及控制终端(7)；
单模光纤(3)输入端固定于光纤耦合器(2)上，单模光纤(3)的输出端位于精密直线位移驱动器(4)的端平面内，并与端平面齐平；精密直线位移驱动器(4)固定于五维调整架(5)上，且与控制终端(7)相连，控制终端(7)能够控制精密直线位移驱动器(4)带动单模光纤(3)的输出端在离轴抛物面镜(6)的焦平面内作直线运动。
2.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，单模光纤(3)的输出端初始位置位于离轴抛物面镜(6)的焦点上。
3.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，精密直线位移驱动器(4)的端平面与离轴抛物面镜(6)的焦平面重合。
4.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，离轴抛物面镜(6)的焦平面与离轴抛物面镜(6)的光轴的夹角小于90°。
5.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，当单模光纤(3)的输出端在离轴抛物面镜(6)的焦平面内作直线运动时，单模光纤(3)的输出端在离轴抛物面镜(6)的焦平面上偏离焦点，得到与离轴抛物面镜(6)的光轴具有夹角的倾斜平面波，且该夹角小于90°，其中夹角为倾斜平面波波矢方向与离轴抛物面镜(6)光轴之间的夹角。
6.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面镜大口径平行光束的角度改变装置，其特征在于，五维调整架(5)能够实现X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整。
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