CN112666700A - 一种基于压电驱动的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叶片式快速机械光开关，主要包括孔径光阑和压电陶瓷堆栈，所述孔径光阑安装在金属外壳的内部，所述孔径光阑的叶片控制杆的两侧分别设有压电陶瓷堆栈和回位弹簧，所述孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离大于压电陶瓷堆栈到孔径光阑的的主固定螺丝间的距离，所述压电陶瓷堆栈与外部电源连接。其优点在于，克服了以往机械光开关响应速度慢的问题，且透射光光功率没有损耗，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，由此能够满足目前精密测量物理和量子光学实验等对机械开关响应速度有极高要求领域的使用需求。

Description

一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关

技术领域

本申请涉及光学开关领域，具体为一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关。

背景技术

常用的机械光开关主要是借助热、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存在自身的一些不足，比较突出的问题的开关速度比较慢，通常都在10毫秒以上，这主要是因为大多机械光开关采用电动马达驱动，从而造成了响应缓慢的原因。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，由于薄金属片重量轻，这有助于提高响应速度，但金属薄片无法承受大功率激光，通光孔较小，另外，由于仍然采用传统电机驱动的方法，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，此外，这类开关的响应速度提高也十分有限，最佳只能达到十个毫秒左右。还有的机械光开关利用一个或多个旋转电机进行开关操作，开关速度可以达到微秒水平，但执行开/关操作时产生一定的震动，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极为细致的校准，此外，这种开关体积过大，不适用于小型化的光路之中。

发明内容

基于上述问题，本申请提供一种体积较小，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叶片式快速机械光开关，包括孔径光阑和压电陶瓷堆栈，所述孔径光阑安装在金属外壳的内部，所述孔径光阑的叶片控制杆的两侧分别设有压电陶瓷堆栈和回位弹簧，所述孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离大于压电陶瓷堆栈到孔径光阑的的主固定螺丝的距离，所述压电陶瓷堆栈与外部电源连接。

进一步的，所述压电陶瓷堆栈通过固定支架固定在金属外壳内，且与孔径光阑的叶片控制杆接触。

进一步的，所述叶片控制杆上设有通孔，所述回位弹簧套在固定杆上，所述固定杆一端固定在金属外壳上，另一端伸到叶片控制杆的通孔内，在机械光开关执行开/关操作时，叶片控制杆可看做在水平方向上左右运动。

进一步的，所述压电陶瓷堆栈为多个环形压电陶瓷片的叠加，用于产生压电形变。

进一步的，所述金属外壳上设有电极接口，压电陶瓷堆栈通过电极接口与外部电源连接。

进一步的，所述孔径光阑的金属叶片不少于两片。

有益效果

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杠杆原理和多个弧形金属叶片的孔径光阑设计，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孔径光阑内的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，从而使通光孔从完全闭合，到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，这在光学实验和应用中的光路调节方面，尤其是精密测量物理和量子光学实验领域具有十分重要的意义。

3.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。

4.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。

5.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。与声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)相比，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晶体和不同的微波驱动源，使用上十分复杂且容易出错。

附图说明

图1为本申请结构示意图；

图2为本申请原理图；

其中图中：1—电极接口、2—压电陶瓷堆栈、3—固定支架、4—金属外壳、5—金属叶片、6—固定螺丝、7—固定卡环、8—主固定螺丝、9—固定杆、10—回位弹簧、11—叶片控制杆、12-通光孔。

A为压电陶瓷堆栈长度，B为压电陶瓷堆栈到孔径光阑的主固定螺丝之间的距离，C为孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离(也可以看做金属叶片的半径)，D为金属外壳宽度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关，包括孔径光阑和压电陶瓷堆栈2，孔径光阑包括八个金属叶片5，所述金属叶片5固定在固定卡环7内，两者通过固定螺丝6固定，叶片控制杆11一端通过主固定螺丝8固定在固定卡环7上，另一端与压电陶瓷堆栈2接触。孔径光阑打开时，所有金属叶片5可围绕通光孔向固定卡环7四周散开。所述孔径光阑安装在金属外壳4的内部，所述孔径光阑的叶片控制杆11的两侧分别设有压电陶瓷堆栈2和回位弹簧10，所述压电陶瓷堆栈2为多个环形压电陶瓷片的叠加，用于产生压电形变。所述压电陶瓷堆栈2通过固定支架3固定在金属外壳4内，且与叶片控制杆11接触。所述叶片控制杆11上设有通孔，所述回位弹簧套10在固定杆9上，所述固定杆9一端固定在金属外壳4上，一端伸到叶片控制杆11的通孔内，在机械光开关执行开/关操作时，叶片控制杆11可看做在水平方向上左右运动。

所述孔径光阑的通光孔12到其固定螺丝6的距离大于压电陶瓷堆栈2到孔径光阑的的主固定螺丝8的距离，根据杠杆的长短臂原理，压电陶瓷堆栈2的微小移动就会引起孔径光阑内所有金属叶片5较大的位移，从而形成较大的通光孔12。

所述金属外壳4上设有电极接口1，压电陶瓷堆栈2通过电极接口1与外部电源连接。

下面描述本设计中的主要部件和其功能：

压电陶瓷堆栈2：压电陶瓷堆栈2是指几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5：金属叶片5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。

表1为基于压电驱动的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
					长度(mm)	2	8	48	110

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、无功率损耗和波前畸变的快速机械光开关。

工作原理

当没有外加电压时，叶片控制杆11处于原点，回位弹簧10处于正常压力状态，此时位于金属叶片5中心的通光孔12打开，机械开关处于“打开”的状态；当压电陶瓷堆栈2被加上外部电压时，叶片控制杆11被推动向右运动，从而偏离原点，回位弹簧10被压缩，处于压缩状态，此时金属叶片5产生移动，金属叶片5中心的通光孔在八个金属叶片5的共同作用下完全或部分关闭，机械开关处于“完全关闭”或“部分关闭”的状态。当外加电压关闭时，在回位弹簧10的作用下，金属叶片5将恢复到最初状态和位置，机械开关重新处于“打开”的状态，从而实现可控的机械光开/关操作。

本设计主要利用了压电陶瓷堆栈2在外部电压驱动下的快速响应特性，使得本设计机械光开关能够快速响应；本设计的另外一个创新之处是利用八个金属叶片5、压电陶瓷堆栈2与叶片控制杆11形成一个不对称结构的长短臂杠杆，极大地增大了通光孔径和开关效率。在具体设计中，可酌情增减金属叶片5的数量来保证光学开关的稳定性和调节灵敏性。

如C/B大于6时，长短臂杠杆效应明显，本实施例采用C/B＝8进行试验，响应时间为9微秒，能够满足很多对响应时间有要求的光开关应用。

压电陶瓷堆栈2最大位移行程可达0.33毫米，可引起单个金属叶片5末端的位移量近似为0.33*8＝2.64mm，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到2个厘米直径大小的通光孔12。

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叶片式快速机械光开关，其特征在于，包括孔径光阑和压电陶瓷堆栈，所述孔径光阑安装在金属外壳的内部，所述孔径光阑的叶片控制杆的两侧分别设有压电陶瓷堆栈和回位弹簧，所述孔径光阑的通光孔到其固定螺丝的距离大于压电陶瓷堆栈到孔径光阑的的主固定螺丝的距离，所述压电陶瓷堆栈与外部电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的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固定支架固定在金属外壳内，且与孔径光阑的叶片控制杆接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述叶片控制杆上设有通孔，所述回位弹簧套在固定杆上，所述固定杆一端固定在金属外壳上，一端伸到叶片控制杆的通孔内，在机械光开关执行开/关操作时，叶片控制杆可看做在水平方向上左右运动。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述压电陶瓷堆栈为多个环形压电陶瓷片的叠加，用于产生压电形变。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述金属外壳上设有电极接口，压电陶瓷堆栈通过电极接口与外部电源连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的叶片式快速机械光开关，其特征在于，所述孔径光阑的金属叶片不少于两片。

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