一種高倍率激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)研制

于萍

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

激光具有單色性好、方向性強(qiáng)和準(zhǔn)直性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中廣泛應(yīng)用［1-5］。激光器發(fā)出的激光束直徑通常只有零點(diǎn)幾到幾毫米，已在某些領(lǐng)域顯示出激光光束的突出優(yōu)勢，然而在激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等領(lǐng)域中需要有較寬光束，同時(shí)激光有發(fā)散角，激光擴(kuò)束器的作用就是把窄細(xì)的激光光束擴(kuò)束變成寬闊的準(zhǔn)直光束，同時(shí)使激光束的發(fā)散角降低，在較遠(yuǎn)距離時(shí)激光光斑達(dá)到需要的尺寸。激光束發(fā)散角越小表示激光束準(zhǔn)直性越高，激光通過擴(kuò)束器后單位面積的激光能量越高［6-8］。對于一個(gè)擴(kuò)束倍率為M倍的擴(kuò)束器，經(jīng)過該擴(kuò)束器擴(kuò)束后的激光束的發(fā)散角與擴(kuò)束前相比，發(fā)散角縮小了M倍；同時(shí)擴(kuò)束后的激光束光斑直徑比擴(kuò)束前擴(kuò)大了 M 倍。擴(kuò)束倍率M越大，擴(kuò)束后的激光發(fā)散角越小，準(zhǔn)直性越高。

激光擴(kuò)束器由兩組物鏡組成，前面小物鏡的后焦點(diǎn)與后面大物鏡前焦點(diǎn)重合，與倒置使用的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)相同。通常的激光擴(kuò)束器大物鏡和小物鏡的間距是固定的，在環(huán)境溫度變化時(shí)，尤其高擴(kuò)束倍率的擴(kuò)束器，結(jié)構(gòu)尺寸較大，由于擴(kuò)束器中各零件的材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，使擴(kuò)束器中的各零件發(fā)生的熱脹冷縮變形量不同，導(dǎo)致擴(kuò)束器中各透鏡面型發(fā)生變化，從而破壞了擴(kuò)束器的性能，通過的激光光束的準(zhǔn)直性被破壞，使輸出的激光束成為匯聚光束或者發(fā)散光束。為了解決這個(gè)問題，在小物鏡上設(shè)計(jì)一套直線調(diào)整機(jī)構(gòu)，使大、小物鏡間距變得可調(diào)，保證在不同環(huán)境溫度條件下通過擴(kuò)束器的激光光束的準(zhǔn)直性。所以為保證激光束在環(huán)境溫度變化時(shí)通過高擴(kuò)束倍率擴(kuò)束器后的準(zhǔn)直性不被破壞，研制一種高倍率激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)是非常必要的。

1 激光擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，激光擴(kuò)束器由兩塊物鏡組成，小物鏡的后焦點(diǎn)與大物鏡的前焦點(diǎn)重合。激光器發(fā)出的細(xì)光束被小物鏡聚焦，而后再被大物鏡擴(kuò)束并準(zhǔn)直，形成發(fā)散角較小的寬光束，在激光束直徑變大的同時(shí)使激光束發(fā)散角實(shí)現(xiàn)壓縮。

圖1 激光擴(kuò)束器工作原理示意圖Fig.1 Working principle of laser expander

2 激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 激光擴(kuò)束器的設(shè)計(jì)參數(shù)

擴(kuò)束倍數(shù)：16倍；

小物鏡與大物鏡的同軸度不大于0.02mm；

溫度變化范圍-20℃～30℃時(shí)，小物鏡與大物鏡間距變化±2mm。

2.2 調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述激光擴(kuò)束器的設(shè)計(jì)參數(shù)，分配到激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

調(diào)整機(jī)構(gòu)行程±3mm；

調(diào)整分辨率不大于0.01mm；

2.3 調(diào)整機(jī)構(gòu)組成及工作原理

2.3.1 組成

如圖2所示，調(diào)整機(jī)構(gòu)由主軸、軸套、鋼球、驅(qū)動(dòng)螺母、壓圈、擋板、固定板、導(dǎo)向銷釘組成。

2.3.2 工作原理

圖2中，主軸、軸套、鋼球組成軸系，小物鏡通過壓圈與主軸固連，使小物鏡隨主軸同步移動(dòng)；在主軸上設(shè)計(jì)直線導(dǎo)向槽，在固定板上安裝導(dǎo)向銷釘，與主軸的導(dǎo)向槽配合，使主軸只作相對于軸套的直線移動(dòng)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)；主軸左端加工有螺紋，與驅(qū)動(dòng)螺母嚙合，擋板固定在與軸套固連的固定板上，通過擋板限制驅(qū)動(dòng)螺母只能相對軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，不能軸向移動(dòng)；用手轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母，由導(dǎo)向銷釘限制主軸只能相對軸套作直線移動(dòng)，軸套與擴(kuò)束鏡筒固連，大物鏡與擴(kuò)束鏡筒固連在一起，這樣，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母就可以帶動(dòng)小物鏡與大物鏡之間實(shí)現(xiàn)軸向位置的變化，從而實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度變化使激光擴(kuò)束器的準(zhǔn)直性發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整小物鏡與大物鏡之間的軸向間隔，保證通過激光擴(kuò)束器的激光束的準(zhǔn)直性。

圖2 激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Alignment adjustment mechanism of laser expander

2.4 直線軸系設(shè)計(jì)

主軸、軸套、鋼球組成的直線軸系中，鋼球選用零級鋼球，材料采用 GCr15；主軸材料選用40Cr，滾道面淬火處理，主軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示，其上除了設(shè)計(jì)有滾道面之外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)直線導(dǎo)槽，導(dǎo)槽銷釘在其中移動(dòng)，限制主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上還設(shè)計(jì)了與驅(qū)動(dòng)螺母相嚙合的螺紋結(jié)構(gòu)；軸套結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(b)所示，材料選用40Cr，滾道面淬火處理。

圖3 主軸和軸套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of shaft and outer sleeve

為了保證軸系的移動(dòng)精度，主軸、軸套與鋼球間采用過盈配合，過盈量0～0.002mm。

2.5 固定板、擋板及驅(qū)動(dòng)螺母設(shè)計(jì)

固定板結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，有三個(gè)作用。第一，通過四個(gè)均布的孔A用螺釘與軸套固定；第二，圖5(a)所示的驅(qū)動(dòng)螺母與主軸通過螺紋嚙合，在固定板 C的螺孔處固定圖5(b)所示的擋板，使驅(qū)動(dòng)螺母與軸套間只能轉(zhuǎn)動(dòng)不能沿軸向移動(dòng)；第三，在主軸帶動(dòng)小物鏡移動(dòng)到合適位置時(shí)，固定板上的 B處孔通過螺釘將主軸夾緊，使主軸與軸套位置固定。

圖4 固定板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of fixed element

驅(qū)動(dòng)螺母的螺距選用0.5mm，旋轉(zhuǎn)1°主軸帶動(dòng)小物鏡移動(dòng)0.0014mm，調(diào)整的分辨率可以滿足大、小物鏡間距調(diào)整分辨率不大于0.01mm的要求。

圖5 驅(qū)動(dòng)螺母和擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of driving nut and retaining element

3 精度檢測及結(jié)果分析

3.1 軸系精度檢測方法及檢測結(jié)果

將圖2中的軸系固定在一固定的平臺上，電感儀的探頭也固定在同一個(gè)平臺上，使軸系的主軸一端可以安裝電感儀探頭，用兩個(gè)電感儀在主軸的互成90°的位置測量，如圖6所示，測量結(jié)果如表1所示。

圖6 精度檢測示意圖Fig.6 Precision measurement sketch

表1 軸系精度檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Results of axial precision measurement

3.2 檢測結(jié)果分析

由圖6所示的精度檢測方法可知，檢測面的圓柱度誤差、電感儀的測量精度都影響檢測結(jié)果。該結(jié)構(gòu)的主軸測量面圓柱度誤差實(shí)測為0.6m，電感儀的測量精度為0.1m，這兩者的均方根值為0.61m，這相對于同軸精度不大于0.01mm是很小的，說明檢測面的精度、檢測工具的精度滿足檢測的需要，上述精度檢測結(jié)果可信，滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種高倍率激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其主要依靠一種精密直線運(yùn)動(dòng)軸系來實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束器大、小物鏡軸向間距的精確調(diào)整。從對直線軸系同軸精度的檢測結(jié)果來看，軸系行成6mm時(shí)的同軸精度為0.0022mm，完全達(dá)到了本設(shè)計(jì)中的16倍激光擴(kuò)束器大物鏡與小物鏡的同軸度不大于0.02mm的指標(biāo)要求。結(jié)合該激光擴(kuò)束器參加外場試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了在環(huán)境溫度變化時(shí)激光擴(kuò)束器準(zhǔn)直性調(diào)整機(jī)構(gòu)的可行性，表明帶有大、小物鏡軸向間距調(diào)整機(jī)構(gòu)的激光擴(kuò)束器可以精確調(diào)整兩透鏡間距，使環(huán)境溫度變化等因素引起的兩透鏡面形變化不至于造成擴(kuò)束器準(zhǔn)直性的改變，通過該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的激光擴(kuò)束器的準(zhǔn)直性可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)調(diào)整，確保準(zhǔn)直性滿足使用要求。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡單，精度高，可以在各種倍率的激光擴(kuò)束器中使用，有希望在工程實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

［1］劉萬里，曲興華，歐陽健飛，等.激光跟蹤測量系統(tǒng)角度自動(dòng)校正裝置設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（9）：1695-1700.

［2］閆勇剛，歐陽健飛，夏飛.激光制導(dǎo)測量機(jī)器人及幾何誤差分析［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（5）：907-911.

［3］史亞莉，高云國，張磊，等.提高CCD激光自準(zhǔn)直測角精度的硬件方法［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（4）：726-732.

［4］程義濤，楊進(jìn)華.相位激光測距發(fā)射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（3）：29-31.

［5］陳彥超，趙柏秦，李偉.用于納秒級窄脈沖工作的大功率半導(dǎo)體激光器模塊［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（4）：695-700.

［6］徐記偉，時(shí)家明.激光光斑尺寸對煙幕干擾效果影響的研究［J］.紅外與激光工程，2007，36（6）：838-841.

［7］劉雷，馬宏.準(zhǔn)分子激光均束系統(tǒng)的研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（2）：224-226.

［6］武旭華，陳磊，肖韶榮.干涉儀準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測［J］.紅外與激光工程，2008，37（1）：106-110.