CS218243B1

CS218243B1 - Material and structural arrangements of optical and other precision devices to compensate for variations in length due to fluctuating ambient temperatures

Info

Publication number: CS218243B1
Application number: CS437981A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Mueller
Original assignee: Ladislav Mueller
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Materiálové a konstrukční uspořádání optických a jiných přesných zařízení ke kompenzaci délkových změn v důsledku kolísající teploty okolí. Konstantní a na teplotních změnách nezávislá vzdálenost dvou prvků zařízení se dosahuje pomocí kompenzačního tělesa z materiálu o jiné teplotně roztažnosti než zá kladní těleso. Délkové dilatační změny základního a kompenzačního tělesa se přenášejí jednozvratným pákovým převodem na držák jednoho z prvků zařízení tak, aby jeho posuv byl nulový.Material and structural arrangement of optical and other precision devices to compensate for length changes due to fluctuating ambient temperature. A constant distance between two device elements independent of temperature changes is achieved by using a compensation body made of a material with a different thermal expansion coefficient than the basic body. The length expansion changes of the basic and compensation bodies are transmitted by a single-reversible lever transmission to the holder of one of the device elements so that its displacement is zero.

Description

Materiálové a konstrukční uspořádání optických a jiných přesných zařízení ke kompenzaci délkových změn v důsledku kolísající teploty okolí.Material and structural arrangement of optical and other precision devices to compensate for length variations due to fluctuating ambient temperatures.

Konstantní a na teplotních změnách nezávislá vzdálenost dvou prvků zařízení se dosahuje pomocí kompenzačního tělesa z materiálu o jiné teplotně roztažnosti než základní těleso.A constant and temperature-independent distance between the two elements of the device is achieved by means of a compensating body made of a material with a different thermal expansion than the base body.

Délkové dilatační změny základního a kompenzačního tělesa se přenášejí jednozvratným pákovým převodem na držák jednoho z prvků zařízení tak, aby jeho posuv byl nulový.Longitudinal expansion changes of the basic and compensating body are transmitted by a single reversible lever transmission to the holder of one of the elements of the device so that its displacement is zero.

6*46 * 4

Vynález se týká materiálového a konstrukčního uspořádání optických a jiných přesných zařízení ke kompenzaci délkových změn vzniklých v důsledku kolísající teploty okolí.The present invention relates to the material and construction of optical and other precision devices for compensating for length variations due to fluctuating ambient temperatures.

Na konstrukci optických a jiných přesných zařízení s vysokými nároky na rozměrovou stabilitu, například na rezonátory výkonových laserů s velkou vzdáleností zrcadel, je nutno používat materiály s malou teplotní roztažností, jako například invar nebo mramor, aby změny pracovní délky s kolísáním teploty okolí byly v přípustných mezích. Ani tyto materiály však nejsou teplotně nezávislé a pro správnou funkci zařízení je nutno udržovat teplotu pracovní místnosti v úzkých mezích. Je-li například u CO2 laseru nutným požadavkem, aby změny vzdálenosti zrcadel byly menší než vlnová délka použitého záření, tj. 10,6 ^m, bylo by nutné při pracovní délce rezonátoru 4,5 metru udržovat teplotu místnosti v rozmezí 2,3 °C u konstrukce z invaru a 1,1 °C u konstrukce z mramoru. Takové podmínky je možno splnit jen temperováním místnosti nebo lokálním temperováním rezonátoru například invarovými trubkami s protékající vodou.For the construction of optical and other precision devices with high dimensional stability requirements, for example high power laser distance laser resonators, low thermal expansion materials such as invar or marble must be used to allow variations in working length with variations in ambient temperature. limits. However, even these materials are not temperature-independent and the working room temperature must be kept within narrow limits for proper operation. For example, if a CO2 laser requires that the variations in the mirror distance be less than the wavelength of the radiation used, ie 10.6 µm, a room temperature of 2.3 ° C should be maintained at a working length of 4.5 meters C for invar construction and 1.1 ° C for marble construction. Such conditions can only be fulfilled by room tempering or by local tempering of the resonator with, for example, invar tubes with flowing water.

Nevýhody dosavadních konstrukcí odstraňuje uspořádání zařízení podle vynálezu, kde se délkové změny způsobené kolísáním teploty okolí kompenzují materiálovým a konstrukčním uspořádáním pomocí pákového převodu a kompenzačního tělesa z materiálu o jiné teplotní roztažností, než má základní těleso.Disadvantages of the prior art are eliminated by the arrangement of the device according to the invention, where the length changes caused by the variation of the ambient temperature are compensated by the material and construction arrangement by means of a lever gear and a compensating body of material with different thermal expansion than the base body.

Jeden ze dvou prvků zařízení, jejichž vzdálenost má být konstantní a nezávislá na kolísání teploty okolí, je upevněn v čelní desce, v níž je též upevněn jeden konec základního tělesa a jeden konec kompenzačního tělesa. Druhý z prvků je upevněn na držáku, v němž je vytvořen otočný bod jednozvratné páky, na jejíchž ramenech jsou otočně upevněny druhé konce základního a kompenzačního tělesa. Držák, základní a kompenzační těleso procházejí v přesném uložení vodicí deskou.One of the two elements of the device, the distance of which is to be constant and independent of variations in ambient temperature, is fixed in a faceplate in which also one end of the base body and one end of the compensating body are fixed. The other of the elements is mounted on a holder in which a pivot point of the single-reversible lever is formed, on whose arms the other ends of the base and compensating body are rotatably mounted. The bracket, the base and the compensating body pass through the guide plate in a precise fit.

Příkladem takového uspořádání je rezonátor výkonového CO2 laseru schematicky znázorněný na obrázku.An example of such an arrangement is a power CO2 laser resonator schematically shown in the figure.

Základní těleso 1 rezonátoru zhotoveného z materiálu o středním teplotním součiniteli délkové roztažností a’ sestává ze dvou trubek, které jsou na jedné straně upevněny v čelní desce 2, ve které je upevněn i jeden konec kompenzačního tělesa 3, zhotoveného z materiálu o teplotním součiniteli roztažnosti a” a jedno zrcadlo 4 laseru.The resonator base body 1 made of a material having a medium thermal coefficient of longitudinal expansion a consists of two tubes which are fixed on one side in a face plate 2, in which one end of the compensating body 3 made of a material having a thermal coefficient of expansion is fastened; ”And one laser mirror 4.

Na opačné straně procházejí základní těleso 1 a kompenzační těleso 3 v precizním vedení vodicí deskou 5 a jsou otočně upevněny precizními klouby B a 7 v páce 8, jejíž otočný bod 9 je vytvořen v držáku 10 druhého zrcadla 11, který též volně prochází vodicí deskou 5. Délka tělesa 1 rezonátoru za normální teploty je označena 1 a její změna s přírůstkem teploty At je ΔΓ. Délka kompenzačního tělesa 3 je shodná s délkou základního tělesa 1 a je označena shodně 1, její změna s teplotou je Δ1”.On the opposite side, the base body 1 and the compensating body 3 pass precisely through the guide plate 5 and are rotatably fastened by the precise joints B and 7 in the lever 8, the pivot point 9 of which is formed in the holder 10 of the second mirror 11. The length of the resonator body 1 at normal temperature is denoted by 1 and its change with the temperature increase At is ΔΓ. The length of the compensating body 3 is equal to the length of the base body 1 and is marked identically 1, its change with temperature is Δ1 ”.

Délka ramena páky 8 mezi pevným otočným bodem 9 v držáku 10 a kloubem 6 na základním tělese 1 je označena a, mezi bodem 9 a kloubem 7 na kompenzačním tělese 3 je označena b.The length of the lever arm 8 between the fixed pivot point 9 in the holder 10 and the hinge 6 on the base body 1 is indicated by a, and between the point 9 and the hinge 7 on the compensating body 3 is indicated by b.

Má-li zůstat vzdálenost L zrcadel 4 a 11 konstantní a nezávislá na kolísání teploty, musí platit úměra:If the distance L of the mirrors 4 and 11 is to remain constant and independent of temperature fluctuations, the proportion must be:

Δ1’ _ Δ1” a ^— b a vzhledem k délkovým roztažnostem a’ materiálu základního tělesa 1 rezonátoru a a” kompenzačního tělesa 3 a výrazu Δ1=1.αίΔί platí a a' b ^— «”Δ1 '_ Δ1 ”a ^- ba with respect to the linear expansion a' of the resonator base body 1 aa” compensation body 3 and the expression výraz1 = 1.αίΔί holds aa 'b ^- «”

Toto uspořádání zařízení vyžaduje maximálně omezit vůli v kloubech B, 7, 9. Toto lze provést třeba břitovými závěsy nebo jiným přesným uložením, jak je tomu například u dilatometrů a podobných přístrojů. U zrcadel laserů je nutno též zajistit, aby nedocházelo k naklápění zrcadla 11 při výkyvu páky 9, například přesným posuvným uložením držáku ID v trubkovém vedení.This arrangement of the device requires a maximum reduction of the play in the joints B, 7, 9. This can be done, for example, by means of lip hinges or other precise fit, as is the case, for example, with dilatometers and similar devices. In the case of laser mirrors, it must also be ensured that the mirror 11 does not tilt when the lever 9 is pivoted, for example by precisely sliding the holder ID in the pipe guide.

V příkladě 1 se uvažuje, že teplotní součinitel délkové roztažností a” materiál kompenzačního tělesa je větší než tělesa základního a”. Principiálně je možný i případ opačný, kdy a > a”, potom je však nutno zaměnit polohu základního tělesa 1 a kompenzačního tělesa 3 vzhledem k pevnému otočnému bodu 9 v držáku 10.In Example 1, it is assumed that the thermal coefficient of linear expansion and "the material of the compensating body is greater than the basic bodies a". In principle, it is also possible to do the opposite, when a> a ”, but then the position of the base body 1 and the compensating body 3 must be reversed with respect to the fixed pivot point 9 in the holder 10.

Vyšší účinek zařízení uspořádaného podle vynálezu spočívá v tom, že se dosáhne dokonalé kompenzace délkových změn vzniklých v důsledku kolísající teploty okolí v podstatě větším teplotním rozmezí než u dosavadních způsobů.The higher effect of the device according to the invention is to achieve a perfect compensation for the length variations due to the fluctuating ambient temperature in a substantially larger temperature range than in the prior art processes.

Claims

Material and structural arrangement of optical and other precision devices to compensate for length variations due to fluctuating ambient temperature, characterized in that on one side of the device a base body (1) of material having a temperature coefficient of linear expansion is fixed in the faceplate (2); , a compensating body (3) of a material having an expansion coefficient a 'and one of two elements whose distance is to be constant and independent of variations in ambient temperature, for example a mirror (4), while the base body (1) and the compensating body ( 3) precise guidance in the guide plate

OF THE INVENTION (5), and at their end is formed a hinged articulation with the arms of the single-reversible lever (8), the fixed pivot point (9) of which is formed on the holder (10) of the other of two elements, e.g. the length of the arm (a) of the lever (8) between the fixed pivot point (9) and the joint (6) on the base body (1) and the length of the arm (b) between the fixed pivot point (9) and the joint (7) on the compensating body ) the following applies: