CN112558288A - 一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，包括金属外壳，所述金属外壳中设有至少两个孔径光阑，所述孔径光阑的叶片控制杆分别与推拉活动架连接，所述金属外壳顶部设有拉伸弹簧，底部设有压缩弹簧，所述推拉活动架上设有压电陶瓷堆栈，所述压电陶瓷堆栈固定在金属外壳上并与外部电源连接。其优点在于，形成具有复合开/关状态的多窗口光学开关，这极大地提高了光开关的使用效率，克服了传统方法中压电驱动位移小的问题，有利于降低生产和使用成本，减少外部驱动电源数量，简化和优化光路设计，可节省大量资源，满足多领域应用需求。

Description

一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关

技术领域

本发明涉及光学开关领域，具体为一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关。

背景技术

光开关在激光技术、光电探测、光通信和量子光学等实验与应用领域的使用十分广泛，针对一些对激光作用时间有要求的实验和应用，通常需要在多个节点位置让激光在很短的时间内执行打开和关断操作，因此，光开关的响应时间、开关效率和稳定性起着关键性重要作用，甚至往往决定着实验的成败和测量结果的精确度。在实际应用中，通常使用的光开关可分为两类，一类是基于电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)的光开关，这类开关的缺点很多，例如：一、无法完全关断，总会有一部分光泄露，难以满足精密测量或控制的需求；二、必然导致的移频和相移，进而导致光频率和光路的改变，这既增加了光路的复杂性，也极大地增加了成本；三、晶体的有效作用面积小，多数情况下有效通光孔径只有1毫米或更小，因此，光在进入EOM或AOM前必须利用单个或多个透镜组合来缩小光斑，这给使用者带来极大不便，增加了系统的复杂性；四、对光斑质量的不利影响，激光通过EOM或AOM后通常会造成光斑发散，光束形状也会产生畸变，难以满足后续耦合光纤和准直等操作和使用；五、光功率损耗，通常光束通过调制器后功率会损耗10％以上。六、EOM和AOM对光功率也有要求，较高的功率能够损坏晶体，导致无法使用。由此可见，这一种类的光学开关在使用中存在诸多不利的因素。

另一类常用的光开关是机械光开关，它主要是借助热、电、磁等驱动方式，利用物体的机械运动让开或挡住光，从而可以实现光的开/关操作。目前主流的机械光开关也存在自身的一些不足，主要是开关速度比较慢，通常都在10毫秒以上，这是因为大多数的机械光开关都采用电动马达驱动，从而造成了响应速度缓慢。为了实现对光束的快速切换，有些机械光开关采用薄金属片作为动作快门，但开关速度提高有限，此外，由于无法承受大功率激光，执行开关动作时也有明显的振动噪声，这使其在要求低噪声和较大功率工作的场所使用受到限制。还有的机械光开关利用一个或多个旋转电机进行光开/关操作，开关速度可以达到微秒水平，但开关时产生一定的震动，此外，其通光孔径较小，使用前需要将光束聚焦，这就需要较多的透镜及更为细致的校准，此外，由于需要多个电机同时工作，造成这种开关体积过大，不适用于现今的小型化和集成化的光路发展趋势。

发明内容

基于上述问题，本发明基于压电驱动的机械光开关，它主要基于压电陶瓷材料的压电形变来工作，可达10微秒左右的超快响应速度，能够满足绝大多数对响应时间有要求的光开关应用。其技术内容为：

一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，包括金属外壳，所述金属外壳中设有至少两个孔径光阑，所述孔径光阑位于推拉活动架两端，所有孔径光阑的叶片控制杆均与推拉活动架连接，所述推拉活动架上方设有拉伸弹簧，下方设有压缩弹簧，所述推拉活动架上设有压电陶瓷堆栈，所述压电陶瓷堆栈与外部电源连接，当没有外加电压时，至少有两个孔径光阑的通光孔开合状态是相反的。

进一步的，所述孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离大于推拉活动架支点到所述孔径光阑主固定螺丝的距离。

进一步的，所述压电陶瓷堆栈通过压电陶瓷固定架固定在金属外壳上，压电陶瓷固定架通过螺丝固定在金属外壳的两侧纵向面板上。

进一步的，所述金属外壳上设有孔径光阑固定架，用于固定孔径光阑。

进一步的，所述金属外壳底部设有压缩弹簧固定杆，所述压缩弹簧套装在压缩弹簧固定杆上，压缩弹簧另一端与底部孔径光阑的叶片控制杆固定连接；所述金属外壳顶部设有拉伸弹簧固定杆，所述拉伸弹簧套装在拉伸弹簧固定杆上，拉伸弹簧另一端与顶部的孔径光阑的叶片控制杆固定连接。

进一步的，所述推拉活动架为筒状结构，顶部设有顶部连接板，底部设有底部连接板，所述顶部连接板与金属外壳顶部的孔径光阑的叶片控制杆连接，底部连接板与金属外壳底部的孔径光阑的叶片控制杆连接，所述压电陶瓷堆栈位于筒状结构内部并与推拉活动架接触。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1.本机械光开关的创新之处是采用压电驱动，利用了多个环形压电陶瓷片，从而形成压电陶瓷堆栈，提高了压电陶瓷的最大位移行程，相较以往的机械光开关，本设计响应十分灵敏，且制作成本较低。

2.本机械光开关的创新之处是借助长短臂杠杆原理和多个弧形金属叶片的设计，一方面极大减小了对压电陶瓷堆栈的位移行程要求，使压电陶瓷堆栈在较小位移的情况下就能够使金属叶片产生较大移动，节约了构造体积；另一方面，通过调节外部驱动电压，能够实现对多个弧形金属叶片的灵活调节，从而使通光孔完全闭合、部分闭合，或完全打开，进而可对输入光功率进行连续调节，实现输入光功率从0到最大的连续可调，使用上更加灵活、方便，这在精密测量物理和量子光学实验和应用领域，尤其是对光学实验和应用中的光路调节方面具有十分重要的意义。

3.本机械光开关的创新之处是设计了一个基于压电驱动的多个机械光开关窗口结构，通过多个机械件的有效连接，实现了多个窗口的高效率时分复用功能，改变了以往单一驱动控制的方式，这在集成化量子光学和精密测量实验物理如原子干涉仪、原子重力仪、原子磁力计、原子陀螺仪等方面具有十分重要应用价值和前景。

4.本机械光开关在执行开/关操作时，透射光光功率没有损耗问题，光路也不发生改变，这极大地简化了光路，节省了人力和物力成本，提高了激光的使用效率。

5.本机械光开关通光孔较大，能够满足入射光光功率和光斑较大时的使用，激光在通过本机械开关时无波前畸变及波形变化。

6.本机械光开关带宽更宽，理论上能够对通过通光孔的所有波长光场有效。与AOM和EOM相比，激光波长不受限制。而传统的AOM和EOM通常工作带宽只有几十到几百兆赫兹，在实际使用中，不同的光波长就需要对应不同的AOM或EOM晶体和不同频率的微波驱动源，加上相关的一系列配套电源设备，使用上十分复杂且容易出错。

附图说明

图1为本发明结构原理图A；

图2为本发明结构原理图B；

图3为本发明尺寸图；

其中1—金属外壳、2-1固定螺丝一、2-2固定螺丝二，2-3固定螺丝三，2-4固定螺丝四，3-1—孔径光阑一、3-2—孔径光阑二、3-3—孔径光阑三、3-4—孔径光阑四、4-1—左固定架、4-2右固定架、5—压电陶瓷堆栈、6-1—主固定螺丝一、6-2—主固定螺丝二、6-3—主固定螺丝三、6-4—主固定螺丝四、7-1—叶片控制杆一、7-2—叶片控制杆二、7-3—叶片控制杆三、7-4—叶片控制杆四、8-1—拉伸弹簧固定杆一、8-2拉伸弹簧固定杆二、9-1压缩弹簧固定杆一、9-2压缩弹簧固定杆二、10-推拉活动架、11-压电陶瓷固定架、13-1固定卡环一、13-2固定卡环二、13-3固定卡环三、13-4固定卡环四，14-1拉伸弹簧一，14-2拉伸弹簧二，14-3压缩弹簧一，14-4压缩弹簧二。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明做详细说明，以便于本领域技术人员充分了解本发明。

一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，包括金属外壳1，所述金属外壳1中设有四个孔径光阑，具体为孔径光阑一3-1、孔径光阑二3-2、孔径光阑三3-3、孔径光阑四3-4，所述孔径光阑一3-1、孔径光阑三3-3位于金属外壳1上端部，通过左固定架4-1和右固定架4-2固定在金属外壳1上，孔径光阑二3-2、孔径光阑四3-4位于金属外壳1底部，孔径光阑一3-1、孔径光阑二3-3之间、金属外壳1的顶部设有拉伸弹簧固定杆一8-1和拉伸弹簧固定杆二8-2，并分别套有拉伸弹簧一14-1和拉伸弹簧二14-2，所述金属外壳1的底部设有压缩弹簧固定杆一9-1和压缩弹簧固定杆二9-2，两者位于孔径光阑二3-2、孔径光阑四3-4之间，所述压缩弹簧固定杆一9-1设有压缩弹簧一14-3，压缩弹簧固定杆二9-2设有压缩弹簧二14-4；

所述推拉活动架10为筒状结构，顶部设有顶部连接板1001，底部设有底部连接板1002，所述顶部连接板分别与孔径光阑一3-1、孔径光阑三3-3的叶片控制杆一7-1和叶片控制杆三7-3连接，底部连接板1002分别与孔径光阑二3-2、孔径光阑四3-4的叶片控制杆二7-2和叶片控制杆四7-4连接，所述压电陶瓷堆栈5位于推拉活动架10筒状结构内部，与底部连接板1002接触，并通过压电陶瓷固定架11固定在金属外壳1上，所述压电陶瓷堆栈5与外部电源连接。

孔径光阑一3-1、孔径光阑二3-2、孔径光阑三3-3、孔径光阑四3-4结构相同，以孔径光阑一3-1为例说明。孔径光阑一3-1包括八片金属叶片，金属叶片由金属合金材料制成，并经过黑色阳极氧化处理，它一方面非常轻薄，另一方面能够耐受较大的光功率。所述金属叶片位于固定卡环13-1内，分别通过对应的固定螺丝2-1固定，所述固定卡环一13-1上设有叶片控制杆一7-1，两者通过主固定螺丝一6-1连接。透光时，金属叶片向固定卡环一13-1内散开，此时固定卡环一13-1圆心处形成一个通光孔。所述通光孔到固定螺丝一2-1的距离大于推拉活动架10支点到主固定螺丝一6-1的距离。

下面描述本设计中的主要部件和其功能：

压电陶瓷堆栈5：压电陶瓷堆栈5是指多个压电陶瓷片的线性叠加，它能够产生更大的压电形变。压电陶瓷片是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。当给具有压电性的压电陶瓷片加上一定的外部驱动电场时,压电陶瓷片内部正负电荷中心发生相对位移，从而使压电陶瓷片产生整体形变，即几何形变。当电场不是很强时，形变与外电场强度呈线性关系。

金属叶片：金属叶片由金属合金材料制成，并经过黑色阳极氧化处理，它一方面非常轻薄，另一方面能够耐受较大的光功率。本设计的创新之处是利用32个金属叶片、推拉活动架10的四个支点与叶片控制杆7-1、叶片控制杆7-2、叶片控制杆7-3、叶片控制杆7-4分别形成四个不对称结构的长短臂杠杆，从而极大地增大了通光孔径面积和开关效率。在具体设计中，可酌情增减孔径光阑一3-1、孔径光阑二3-2、孔径光阑三3-3、孔径光阑四3-4中金属叶片的数量来保证光学开关的稳定性和调节灵敏性，另外，本申请至少保证两个孔径光阑的通光孔的开合状态是相反的，以达到时分复用目的。

表1为基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关的一种具体设计值，其具体数值大小可根据产品需求和应用进行优化和调节，并非作为对本发明实施例的限制。表1中“标号”一栏根据各个部件的尺寸间距来进行编号表示。

表1

标号	A	B	C	D	E
						长度(mm)	210	4	6	210	48

A为金属外壳的长度，B为压电陶瓷堆栈厚度，C为推拉活动架支点到主固定螺丝的距离，D为金属外壳的宽度，E为透光孔到固定螺丝的距离(因为通光孔闭合时可以看成一个点，所以E也可以看成为金属叶片半径)，如图3所示。

通过上述具体实施例，可获得一个结构紧凑、响应速度快、调节精度高、无光功率损耗和波前畸变的多窗口时分复用快速机械光开关。

工作原理

如图1-3所示，当没有外加电压时，叶片控制杆7-1、叶片控制杆7-2、叶片控制杆7-3、叶片控制杆7-4处于原点，在拉伸弹簧14-1、拉伸弹簧14-2的拉力作用下，孔径光阑一3-1、孔径光阑三3-3的通光孔闭合，此时，压缩弹簧一14-3、压缩弹簧二14-4处于正常压力状态，孔径光阑二3-2、孔径光阑四3-4中心的通光孔处于“打开”状态；当压电陶瓷堆栈5被加上外部电压时，压电陶瓷堆栈5形变推动推拉活动架10向下运动，从而带动叶片控制杆7-1、叶片控制杆7-2、叶片控制杆7-3、叶片控制杆7-4被推动向下方运动，从而偏离原点，拉伸弹簧14-1、拉伸弹簧14-2被拉伸，处于拉伸状态，此时孔径光阑一3-1、孔径光阑三3-3的通光孔打开，孔径光阑一3-1、孔径光阑三3-3可处于“完全打开”状态或“部分打开”状态。对应地，孔径光阑二3-2、孔径光阑四3-4处于“完全关闭”状态或“部分关闭”状态。当外加电压关闭时，在弹簧作用下，孔径光阑一3-1、孔径光阑二3-2、孔径光阑三3-3、孔径光阑四3-4将恢复最初状态，从而实现可控的多窗口时分复用机械光开/关操作。

压电陶瓷堆栈5在外加电压下可以产生压电感应伸缩形变，其最大位移行程可达0.33毫米。E/C要大于6，长短臂杠杆效应比较明显，本实施例为8；金属叶片越多(本实施例中每个孔径光阑的金属叶片为8个)，设备越灵敏，八片金属叶片设计使通光孔径和开关效率进一步提升，可形成1-2cm直径大小的通光孔。给压电陶瓷堆栈5通电，单个金属叶片末端下位移量或上位移量大约为0.33*8＝2.64mm。

上述仅为本发明的较佳实例，并不用于限制本发明，在本发明的结构上进行参数改动和调整可以得到更多的其他实施例，这里无需也无法将所有实施例全部列出。因此，本发明的保护范围仅由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，包括金属外壳，所述金属外壳中设有至少两个孔径光阑，所述孔径光阑位于推拉活动架的两端，所有孔径光阑的叶片控制杆均与推拉活动架连接，所述推拉活动架上方设有拉伸弹簧，下方设有压缩弹簧，所述推拉活动架与压电陶瓷堆栈接触，所述压电陶瓷堆栈与外部电源连接，当没有外加电压时，至少有两个孔径光阑的通光孔开合状态是相反的。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离大于推拉活动架支点到所述孔径光阑主固定螺丝的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述压电陶瓷堆栈通过压电陶瓷固定架固定在金属外壳上，电陶瓷固定架通过螺丝固定在金属外壳的两侧纵向面板上。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述金属外壳上设有孔径光阑固定架，用于固定孔径光阑。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述金属外壳底部设有压缩弹簧固定杆，所述压缩弹簧套装在压缩弹簧固定杆上，压缩弹簧另一端与底部的孔径光阑的叶片控制杆固定连接；所述金属外壳顶部设有拉伸弹簧固定杆，所述拉伸弹簧套装在拉伸弹簧固定杆上，拉伸弹簧另一端与顶部的孔径光阑的叶片控制杆固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的时分复用多窗口叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述推拉活动架为筒状结构，顶部设有顶部连接板，底部设有底部连接板，所述顶部连接板与金属外壳顶部的孔径光阑的叶片控制杆连接，底部连接板与金属外壳底部的孔径光阑的叶片控制杆连接，所述压电陶瓷堆栈位于筒状结构内部并固定在金属外壳上。

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