CN114705228B - 一种多光束平行激光生成装置、平行准直调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多光束平行激光生成装置、平行准直调节装置及方法。通过激光多光束平行准直调节装置及方法，利用两个分束镜的反射光进行干涉，观察干涉条纹后通过调节装置来调节激光光源的平行度及准直度，以此得到高平行度和准直度的激光用于多光束平行激光生成装置；利用中空屋脊棱镜反射镜和猫眼装置，形成多次反射，产生多束平行光。本发明降低了测量过程中平行度上的误差、增加了准直装置，适用于平行度和准直度要求高的多光束激光物理实验、避免了实验中的杂光干扰且降低了使用的透镜数量和大小、节约了成本。

Description

一种多光束平行激光生成装置、平行准直调节装置及方法

技术领域

本申请涉及光学仪器制造及应用领域，尤其涉及一种多光束平行激光生成装置、平行准直调节装置及方法。

背景技术

在原子干涉测量领域，往往需要产生多平行和准直激光束，干涉测量原子光谱信号。传统的光学调节镜的测试效率低、成本高，不能满足光路对平行度和准直度的精度要求。

现有的多光束平行激光生成装置如图1所示，激光入射一个偏大的猫眼结构，即平行的凸透镜和第一反射镜，形成平行且方向相反的激光后入射较小的猫眼结构，再次获得平行且方向相反的激光，每次反射，激光距离凸透镜的中心越近，以此获得越来越靠近的无数条反射光，再通过一面放置于两个猫眼结构之间的反射镜，将无限的反射停止，通过这种方法获得多束平行激光，但这样的结构需要多个猫眼结构，而且对于透镜的大小有限制，难以工程化使用，在对光束平行度的测量过程中存在测量误差。目前的测量平行度的方法有指示器法、水平基准法、自准直法、干涉法、量规法等，这些方法都无法避免测量误差；在光学干涉测量领域，多数测量方法没有考虑光束准直装置，或者实现方法中无法进行光束准直，因此无法适用于对准直度要求较高的原子物理实验；在复杂的光学系统中，光路的测量区域可能受到杂光的干扰，影响光束的测量结果。

发明内容

本申请实施例提供一种多光束平行激光生成装置、平行准直调节装置及方法，解决测量过程平行光束误差大、受干扰且制造平行光束的光学透镜体积大、数量多的问题。

本申请实施例还提供一种激光多光束平行准直调节装置，包含光源和准直装置，还包括第一分束镜、第二分束镜、平移台和猫眼结构。所述猫眼结构为平行的凸透镜和第一反射镜的组合。所述光源、准直装置、第一分束镜、第二分束镜和猫眼结构均在同一光轴，所述第一分束镜的镜面与光轴的夹角＞0°，＜180°且≠90°。第二分束镜的镜面与光轴垂直。激光从光源出发，经过准直装置，通过第一分束镜和第二分束镜进入猫眼结构。所述平移台为两个，分别安装在准直装置和凸透镜上，用于微调位置。

进一步优选地，所述第一分束镜和第二分束镜的分束比为50:50。

进一步优选地，还包含光阑。所述光阑位于准直装置和中空屋脊棱镜反射镜之间。所述光阑的内孔限制成像光束大小。

进一步优选地，还包含对准装置。所述对准装置包括对准盘和光学透镜套筒。两个对准盘安装在光学透镜套筒两侧；两个对准盘的透光孔均出于入射光和出射光的光轴上；所述对准盘表面磨砂处理；所述对准盘的透光孔为圆形。

优选地，所述准直装置为准直透镜。所述准直透镜为平凸透镜且平面面对光源。光源位于准直透镜的焦点。

优选地，所述平移台尺寸上有测微头。

本申请实施例还提供一种调节激光平行及准直的方法，使用上述激光多光束平行准直调节装置，包含以下步骤：

打开光源，接收第一分束镜反射来自第二分束镜的光束；

对光束进行干涉实验，观察干涉结果，若干涉条纹为圆形，则激光的平行度和准直度符合标准；

若干涉条纹不是圆形，则微调准直装置，直到干涉条纹变为圆形。

本申请实施例还提供一种多光束平行激光生成装置，包含光源和猫眼结构。所述猫眼结构包含平行的凸透镜和第一反射镜，且第一反射镜位于凸透镜的焦点。还包含中空屋脊棱镜反射镜。所述凸透镜与中空屋脊棱镜反射镜相对，且凸透镜的中轴面与中空屋脊棱镜反射面呈45°夹角，凸透镜的中心点与中空屋脊棱镜反射镜两个反射面的交界线不正对。光源发射的激光与中空屋脊棱镜反射镜反射面呈45°角入射，激光经过中空屋脊棱镜反射镜反射平行光射入猫眼结构，经猫眼结构反射再入射中空屋脊棱镜反射镜，形成多次反射。

进一步优选地，凸透镜中心沿光轴方向的投影点，与激光入射点分别在中空屋脊棱镜反射镜两个反射面上。

进一步地，还包含第二反射镜。所述第二反射镜位于凸透镜和中空屋脊棱镜反射镜之间，且第二反射镜平面与光源光轴的夹角＞0°，＜180°且≠90°。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

与其他激光多光束光路的光学装置相比，所述装置简单易搭建，设计方法新颖；巧妙利用光学原理有效屏蔽外部杂散光干扰，便于观察出射光；透镜组合可对光束进行准直，具有一定的自聚焦功能，提高了光束的利用率；猫眼结构和反射镜的组合更有效地得到高精度的多束平行光；基于深厚的光学设计和调试经验，本方法中增加了平移台装置设计，在最小化占用空间的基础上，进一步提高了调节光学装置的灵活度和便捷性。采用上述改进设计，操作简单灵活，可实现由单束激光得到高平行度、高准直度的多光束，具有较强的工程实用性和可操作性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术多光束平行激光生成装置结构图；

图2为本申请实施例多光束平行准直调节光路结构示意图；

图3为本申请一种调节激光平行及准直的方法的步骤图；

图4为本申请实施例多光束平行准直调节光路结构示意图。

图中：

1-光源 2-准直装置 3-第一分束镜

4-第二分束镜 5-平移台 6-猫眼结构

7-光阑 8-对准盘 9-光学透镜套筒

10-中空屋脊棱镜反射镜 11-第二反射镜 61-凸透镜

62-第一反射镜

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图2为本申请实施例多光束平行准直调节光路结构示意图。

一种激光多光束平行准直调节装置，包含光源1和准直装置2，还包括第一分束镜3、第二分束镜4、平移台5和猫眼结构6。所述猫眼结构为平行的凸透镜61和第一反射镜62的组合，上述结构均在同一光轴。所述第一分束镜的镜面与光轴的夹角＞0°，＜180°且≠90°。优选地，第一分束镜的镜面与光轴的夹角为45°，第二分束镜的镜面与光轴垂直。激光从光源出发，经过准直装置，通过第一分束镜和第二分束镜进入猫眼结构。所述平移台安装在准直装置和凸透镜上，用于微调位置。

所述凸透镜为平凸透镜，所述凸面朝向第二分束镜。

例如，所述光源为657nm的激光束。激光束通过所述准直透镜和平凸透镜，射入第一分束镜。所述第一分束镜与激光束的夹角为45°，所述第一分束镜和第二分束镜的分束比是50:50。

如图所示，入射光经过分束镜后一半透射一半反射，因此有50％的光经第一分束镜透射到达第二分束镜。在第二分束镜会有50％的光反射回第一分束镜，并在第一分束镜反射向垂直于光源光轴的方向，此光束记为光束S1。

从第二分束镜透射出去的光束，经过猫眼装置改变方向再次垂直射入第二分束镜，并在第二分束镜上反射，光线原路返回第三次射入第二分束镜并透射过第二分束镜后，在第一分束镜反射向垂直于光源光轴的方向，此光束记为光束S2。根据S1和S2两个光束干涉图样的形状可以判断该激光束的平行度和准直度。

激光多光束平行准直调节装置还包含光阑7。所述光阑位于准直装置和中空屋脊棱镜反射镜之间。所述光阑的内孔限制成像光束大小，从而提高成像质量。

激光多光束平行准直调节装置还包含对准装置。所述对准装置包括对准盘8和光学透镜套筒9。两个对准盘安装在光学透镜套筒两侧，两个对准盘的透光孔均出于入射光和出射光的光轴上。所述对准盘表面磨砂处理。

所述光阑7的内孔限制成像光束大小，从而提高成像质量。所述对准装置由两个对准盘和一个光学透镜套筒组合而成。所述对准盘要求表面磨砂处理，更易于观察出射光束。所述光学透镜套筒可以有效屏蔽外部杂散光干扰，调整透镜套筒的高度和倾斜角度使得两个对准盘的小孔都处于入射光和出射光的光轴上。优选地，所述对准盘的透光孔为直径1mm的圆形，光学透镜套筒长度大于20mm。

优选地，所述平移台尺寸为25mm×25mm，上有测微头，所述测微头每转移动0.5mm。所述光源应当在准直透镜的焦距上，反射镜应该在凸透镜的焦距上，通过将凸透镜和准直透镜安装在各自平移台上，通过手动或电动扭转平移台的测微头以达到对透镜的空间位置的微调，减少误差。

图3为本申请一种调节激光平行及准直的方法的步骤图。

还提供一种调节激光平行及准直的方法，使用上述激光多光束平行准直调节装置，包含以下步骤：

步骤101、打开光源，接收第一分束镜反射来自第二分束镜的光束；

分别记录激光经过第一分束镜透射、第二分束镜反射、第一分束镜反射后的光束，和激光经过第一分束镜透射、第二分束镜透射、再经猫眼结构改变方向，第二分束镜再次反射，经过猫眼结构原路返回，第二分束镜再次透射、第一分束镜反射后的光束；

例如，激光束通过所述准直透镜和平凸透镜，射入第一分束镜。所述第一分束镜与激光束的夹角为45°，所述第一分束镜和第二分束镜的分束比是50:50。入射光经过分束镜后一半透射一半反射，因此有50％的光透射第一分束镜射入第二分束镜，在第二分束镜会有50％的光反射回第一分束镜，并在第一分束镜处反射向垂直于光源光轴的方向，此光束记为光束S1。从第二分束镜透射出去的光束，经过猫眼装置改变方向再次垂直射入第二分束镜，并在第二分束镜上反射，光线原路返回第三次射入第二分束镜，透射过第二分束镜后，在第一分束镜反射向垂直于光源光轴的方向，此光束记为光束S2。

步骤102、对光束进行干涉实验，观察干涉结果，若干涉条纹为圆形，则激光的平行度和准直度符合标准；

通过对所述分束镜、猫眼结构等装置进行左右、高低方向的角度、位置偏差的多次调节，使两条光束发生干涉，观察干涉结果，若干涉条纹为圆形，则激光的平行度和准直度符合标准；

步骤103、若干涉条纹不是圆形，则微调准直装置，直到干涉条纹变为圆形。

通过微调平移台来控制准直透镜的空间位置以校准光束，保证光束具有较高的平行度，以得到圆形干涉条纹。

图4为本申请实施例多光束平行准直调节光路结构示意图。

一种多光束平行激光生成装置，包含光源1和猫眼结构6。所述猫眼结构包含平行的凸透镜61和第一反射镜62，且第一反射镜位于凸透镜的焦点。该装置还包含中空屋脊棱镜反射镜10。所述凸透镜与中空屋脊棱镜反射镜相对，且凸透镜的中轴面与中空屋脊棱镜反射面呈45°夹角。凸透镜的中心点与中空屋脊棱镜反射镜两个反射面的交界线不正对。光源发射的激光与中空屋脊棱镜反射镜反射面呈45°角入射，激光经过中空屋脊棱镜反射镜反射为方向相反的平行光射入猫眼结构，再次变为方向相反的平行光入射中空屋脊棱镜反射镜，形成多次反射。

实施例1：所述光源位于凸透镜一侧，中空屋脊棱镜反射镜位于凸透镜另一侧。

实施例2：所述光源位于凸透镜和中空屋脊棱镜反射镜中间。

实施例3：所述光源位于中空屋脊棱镜反射镜的一侧，凸透镜位于中空屋脊棱镜的另一侧。

进一步优选地，凸透镜中心沿光轴方向的投影点，与激光入射点分别在中空屋脊棱镜反射镜两个反射面上。

激光经过中空屋脊棱镜反射镜反射为方向相反的平行光射入猫眼结构，通过猫眼结构变为方向相反的平行光入射中空屋脊棱镜反射镜，随着多次反射，平行光离凸透镜的中心越近，多次无限趋近凸透镜的中心但永远不能到达，形成无限反射。

若所述凸透镜的中心点沿光轴方向的投影点，与激光入射点在中空屋脊棱镜反射镜的一个反射面上，则激光在经过几次反射之后，平行光离凸透镜的中心越来越远，直至远离到凸透镜的镜面大小或中空屋脊棱镜反射镜的虚拟斜边大小不足以接收到反射光，则反射停止；而若凸透镜中心沿光轴方向的投影点，与激光入射点分别在中空屋脊棱镜反射镜两个反射面上，则平行光经过多次反射，距离凸透镜的中心会越来越近，理论上无限趋近凸透镜的中心但永远不能达到，以此形成无限反射。

优选地，所述凸透镜为平凸透镜，所述凸面朝向中空屋脊棱镜反射镜。

优选地，所述光源经过上述调节激光平行及准直的方法后再进入中空屋脊棱镜反射镜。

例如，激光从所述光源发射，先经过上述激光多光束平行准直调节装置调节激光的平行度和准直度，在完成调节后，调节过后，保留准直装置2、光阑7和对准装置，去掉第一分束镜、第二分束镜，激光经过上述装置后进入中空屋脊棱镜反射镜10。

从准直透镜中射出的水平光束为光束A，光束A以45°入射角照射在中空屋脊棱镜反射镜的第一反射面，优选地，所述中空屋脊棱镜反射镜的两个反射镜的夹角为90°±0.02°。经过中空屋脊棱镜反射镜反射，从中空屋脊棱镜反射镜第二反射面以平行但相反的光束B，平行光束B从平凸透镜的平面入射，所述第一反射镜所在平面平行于凸透镜，且穿过平凸透镜的焦点，第一反射镜反射的激光再次入射凸透镜后形成光束C，光束C发射到中空屋脊棱镜反射镜第一反射面，并再次获得平行的反射光平行光束D，由于凸透镜的中心点与中空屋脊棱镜反射镜两个反射面的交界线不正对，因此光束C的光轴距离平凸透镜圆心的距离也小于光束A，因此光束D的光轴距离平凸透镜中心的距离也小于光束B，以此类推，平行光束会无限趋近于平凸透镜的中心，形成无限反射。

还包含第二反射镜11，所述第二反射镜位于凸透镜和中空屋脊棱镜反射镜之间，且第二反射镜平面与光源光轴的夹角为的夹角＞0°，＜180°且≠90°，所述第二反射镜用于改变平行光的方向，中断无限反射。

优选地，例如，第二反射镜平面与光源光轴呈45°角，则平行光会垂直于光源光轴射出，以此中断无限反射。

本申请实施例用于在原子干涉测量领域，优选的，四束平行光即可用于测量，因此将第二反射镜放置于光束D的路径上，在第二反射镜与中空屋脊棱镜反射镜之间的空间就有四条平行光。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，包含光源和准直装置，还包括第一分束镜、第二分束镜、平移台和猫眼结构；

所述猫眼结构为平行的凸透镜和第一反射镜的组合；

所述光源、准直装置、第一分束镜、第二分束镜和猫眼结构在同一光轴；

所述第一分束镜的镜面与光轴的夹角＞0°，＜180°且≠90°；

第二分束镜的镜面与光轴垂直，激光从光源出发，经过准直装置，通过第一分束镜和第二分束镜进入猫眼结构；

猫眼结构改变方向再次垂直射入第二分束镜，并在第二分束镜上反射，光线原路返回第三次射入第二分束镜并透射过第二分束镜后，在第一分束镜反射向垂直于光源光轴的方向；

所述平移台为两个，分别安装在准直装置和凸透镜上，用于微调位置。

2.根据权利要求1所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，所述第一分束镜和第二分束镜的分束比为50:50。

3.根据权利要求1所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，还包含光阑；所述光阑位于准直装置和第一分束镜之间，所述光阑的内孔限制成像光束大小。

4.根据权利要求1所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，还包含对准装置；

所述对准装置包括对准盘和光学透镜套筒；

两个对准盘安装在光学透镜套筒两侧，且两个对准盘的透光孔均出于入射光和出射光的光轴上；所述对准盘表面磨砂处理；所述对准盘的透光孔为圆形。

5.根据权利要求1所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，所述准直装置为准直透镜；所述准直透镜为平凸透镜且平面面对光源；光源位于准直透镜的焦点。

6.根据权利要求1所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，所述平移台上有测微头。

7.一种调节激光平行及准直的方法，使用如权利要求1~6任一所述激光多光束平行准直调节装置，其特征在于，包含以下步骤：

打开光源，接收第一分束镜反射的来自第二分束镜的光束；

对光束进行干涉实验，观察干涉结果，若干涉条纹为圆形，则激光的平行度和准直度符合标准；

若干涉条纹不是圆形，则微调准直装置，直到干涉条纹变为圆形。

8.一种多光束平行激光生成装置，其特征在于，包含光源和猫眼结构；

所述猫眼结构包含平行的凸透镜和第一反射镜，且第一反射镜位于凸透镜的焦点；

还包含中空屋脊棱镜反射镜；

所述凸透镜与中空屋脊棱镜反射镜相对，且凸透镜的中轴面与中空屋脊棱镜反射面呈45°夹角，凸透镜的中心点与中空屋脊棱镜反射镜两个反射面的交界线不正对；

光源发射的激光与中空屋脊棱镜反射镜反射面呈45°角入射，激光经过中空屋脊棱镜反射镜反射平行光射入猫眼结构，经猫眼结构反射再入射中空屋脊棱镜反射镜，形成多次反射。

9.根据权利要求8所述一种多光束平行激光生成装置，其特征在于，凸透镜中心沿光轴方向的投影点，与激光入射点分别在中空屋脊棱镜反射镜两个反射面上。

10.根据权利要求9所述多光束平行激光生成装置，其特征在于，还包含第二反射镜；所述第二反射镜位于凸透镜和中空屋脊棱镜反射镜之间，且第二反射镜平面与光源光轴的夹角＞0°，＜180°且≠90°。