專利名稱：基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光光束偏轉(zhuǎn)裝置，尤其是涉及一種基于光柵衍射實(shí)現(xiàn)激光光束高 精度小角度偏轉(zhuǎn)裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要使激光光束改變方向，按一定的角度偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)可以 通過轉(zhuǎn)動反射鏡，或者旋轉(zhuǎn)光楔棱鏡來實(shí)現(xiàn)。通過機(jī)械方式轉(zhuǎn)動反射鏡，可以改變光束至鏡 面的入射角，以達(dá)到使反射光束偏轉(zhuǎn)的目的。反射光偏轉(zhuǎn)的角度為反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的兩倍， 因此偏轉(zhuǎn)角精度僅為反射鏡旋轉(zhuǎn)精度的1/2，使得反射鏡只能用于對角度精度要求不高的情 形。而光楔則可以在小角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的光束偏轉(zhuǎn)，可以用于一些對光束偏轉(zhuǎn)精度 較高的場合，例如星間激光通信終端跟瞄系統(tǒng)中光束傳遞的模擬，或在光電測量系統(tǒng)中進(jìn)行 測角精度標(biāo)定等。
光楔用于產(chǎn)生光束的小角度偏轉(zhuǎn)的精度受楔角大小限制，楔角越大，偏轉(zhuǎn)和掃描的精度 越低，另外對光楔的加工精度也有很高的要求。由于光楔的加工誤差和楔角大小的限制使得 光楔的光束偏轉(zhuǎn)精度被限制在角秒量級，使得所有使用光楔實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)的場合精度都受到 限制。另外楔角越小，加工精度越高，光楔的價格就越高。
由于楔角的限制，為了提高光束偏轉(zhuǎn)的精度，只能選用高精度的機(jī)械轉(zhuǎn)動裝置，例如采 用步進(jìn)儀來旋轉(zhuǎn)光楔，但增加了成本。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種成本低、偏轉(zhuǎn)精度高的基于光柵的高精度激光光束小角 度偏轉(zhuǎn)裝置。
本實(shí)用新型設(shè)有激光器、可測量旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)臺、光柵和光闌。光柵設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上且 位于旋轉(zhuǎn)臺的直徑垂直面上，光柵的光柵面背向激光器，激光器設(shè)于光柵前方，激光器發(fā)出 的激光光束垂直入射于光柵，并且穿過旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸，光闌設(shè)于光柵后的光路中，光闌上 設(shè)有透光窗，透光窗只供由光柵產(chǎn)生的一束衍射光通過。
旋轉(zhuǎn)臺上最好設(shè)有微調(diào)旋鈕，微調(diào)旋鈕最好為微調(diào)螺桿，微調(diào)旋鈕用于轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺。
本實(shí)用新型的工作原理如下為使負(fù)一級衍射光發(fā)生角度為e角的偏轉(zhuǎn)，可通過旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動而使光柵發(fā)生角度為卩角
的偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)。其中，P角的大小由下式?jīng)Q定
0 = sin-1 - sin(仰-sin-1 (, + 〃
d cf (1)
其中m為衍射光的衍射級次，義為激光器發(fā)出的激光波長，"為光柵的周期。 則衍射光轉(zhuǎn)動的角度0與光柵轉(zhuǎn)動的角度P之間的比值為 d夕， cos/
-=1 -
i/々 附義. 2
" (2)
當(dāng)光柵的周期C/遠(yuǎn)大于入射光的波長A時，0 yff曲線上各點(diǎn)的斜率很小，因此旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)
動一個大角度y ，衍射光只會轉(zhuǎn)動一個微小的角度^用最小讀數(shù)來表征光束偏轉(zhuǎn)的精度，若 旋轉(zhuǎn)臺的最小角度讀數(shù)為b，則0角的最小讀數(shù)a可由下式表示
"， cos" 、
a = b(l——, r )
/， ,m義.m2
" (3)
本實(shí)用新型用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生兩束成一定高精度夾角的激光光束時，使用光闌擋住其它光線， 只讓零級光和其中一級衍射光通過。此時兩束光的夾角y與光柵轉(zhuǎn)動的角度P之間的關(guān)系可
以用下式表示
"sin-詳-sin⑨)+ y9
" (4)
y角隨P角的變化率由下式給出 fi^ _ cos々
=1
~ " (5) 由于式(5)與(2)相等，因此兩種情形下兩束激光夾角的精度都可由式(3)表征，由 激光的波長、光柵的周期、旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度A角和旋轉(zhuǎn)臺的角度測量精度共同決定，并且 隨著"角的增大而降低。
以下給出1個優(yōu)選方案分析式(3)可知，在光束需要偏轉(zhuǎn)的最大角度為y 角的情況下， 若旋轉(zhuǎn)臺的精度越高，即最小角度讀數(shù)b越小、激光的波長義越小、光柵的周期"越大，則 衍射光的偏轉(zhuǎn)角e角的最小讀數(shù)a就越小，光束偏轉(zhuǎn)精度就越高。因此在旋轉(zhuǎn)臺的精度有限、 激光的波長義選擇范圍不大時，可以選用周期^很大的光柵來提高光束偏轉(zhuǎn)的精度。由于相比于制備小周期的光柵，^很大的大周期光柵制備反而更加容易，因而本實(shí)用新型的偏轉(zhuǎn)精 度幾乎沒有限制。然而在周期d增大，精度增加的同時，光束偏轉(zhuǎn)的角度范圍就會變小，因 此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要選擇周期合適的光柵。
另外，附;yy的絕對值越小，a值越小，因此選用級次最低的衍射光，即令附=±1，可以 得到最高的角度偏轉(zhuǎn)精度。進(jìn)一步而言，由于附=1時，由式(2)可知，必，/c砂的值在正負(fù)之 間變化，當(dāng)光柵往一個方向旋轉(zhuǎn)時，衍射光會先往一個方向偏轉(zhuǎn)，然后在光柵旋轉(zhuǎn)一定角度 后，向反方向偏轉(zhuǎn)。因此選用m=_l，即光柵的負(fù)一級衍射光作為小角度偏轉(zhuǎn)的光束。根據(jù) Hutley (哈特利)的定義，衍射光線與入射光線在光柵法線的同一側(cè)時，m的符號為正，反 之為負(fù)。
另外由式(3)可知，本實(shí)用新型的測量精度隨著光柵轉(zhuǎn)角^角的增大而降低。當(dāng)yff角增 大到使必，/4^的絕對值等于l時，0角的變化率與"角的變化率相等，此時光束偏轉(zhuǎn)角的測量 精度降為與光柵旋轉(zhuǎn)角的測量精度相同。
基于上述原理，本實(shí)用新型使用時，將激光器輸出的激光束垂直入射低頻光柵后，通過 旋轉(zhuǎn)并測量光柵轉(zhuǎn)動的角度，可精確控制衍射光偏轉(zhuǎn)的角度，通過預(yù)先標(biāo)好的光柵旋轉(zhuǎn)的角 度和衍射光偏轉(zhuǎn)的角度之間的對應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)激光光束的高精度小角度偏轉(zhuǎn)。本實(shí)用新 型具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低和測量精度高等特點(diǎn)，是一種用途很廣泛的通用器件，尤
其適用于模擬光學(xué)傳遞系統(tǒng)中較小角度范圍內(nèi)的光束偏轉(zhuǎn)，也適用于產(chǎn)生兩束成一定夾角、 角度可高精度調(diào)控的激光光束。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，l.激光器，2.旋轉(zhuǎn)臺，3.光柵， 4.光闌，5.旋轉(zhuǎn)軸，6.零級光，7.負(fù)一級衍射光，8.微調(diào)螺桿。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例l中e角與"角的關(guān)系圖。在圖2中，橫坐標(biāo)為光柵旋轉(zhuǎn)的角 度^ (° )，縱坐標(biāo)為負(fù)一級衍射光偏轉(zhuǎn)的角度0 (° )。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3中0角與/ 角的關(guān)系圖。在圖3中，橫坐標(biāo)為負(fù)一級衍射光 偏轉(zhuǎn)的角度yff (° )，縱坐標(biāo)為光柵旋轉(zhuǎn)的角度0 (° )。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。 實(shí)施例1
參見圖l，本實(shí)用新型設(shè)有激光器l、可測量旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)臺2、光柵3和光鬧4。光 柵3設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺2上且位于旋轉(zhuǎn)臺2的直徑垂直面上，光柵3的光柵面背向激光器1，激光
5通過。旋轉(zhuǎn)臺2上設(shè)有微調(diào)螺桿8，微調(diào)螺桿8用于轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺2。
在圖1中，激光器1采用波長義為632.8nm，輸出功率為40mW的He-Ne激光器，光柵 3采用周期為7.25pm的全息光柵，旋轉(zhuǎn)臺2采用北京華維浩潤儀器有限公司的BR73-1精密 旋轉(zhuǎn)臺。激光器l的出光口距離光柵3的距離為lm，光闌4距離光柵3的距離為5cm。光闌 4上的透光窗41尺寸為1.25cmxl.25cm。
本實(shí)施例的使用方法按以下步驟進(jìn)行
1、 打開激光器l;
2、 調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺2確定光柵的初始位置，以確保激光光束垂直入射于光柵面。可在光柵3 面對激光器1的表面上貼上一塊反射鏡，反射鏡的反射面朝向激光器1。然后調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺2 的微調(diào)螺桿8，使得反射鏡反射出來的激光返回到激光器1的出光口中，記下此時旋轉(zhuǎn)臺2 的旋轉(zhuǎn)角度的讀數(shù)A;
3、 去掉反射鏡，移動光闌4使得僅有負(fù)一級衍射光7通過光闌4。
4、 調(diào)節(jié)微調(diào)螺桿8使旋轉(zhuǎn)臺2逆時針旋轉(zhuǎn)，記下此時旋轉(zhuǎn)臺2的旋轉(zhuǎn)角度的讀數(shù)"2，則
旋轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)過的角度A = A - A 。
此時負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角0角可由式(1)算得，0角的精度可以由式(3)算得。 參見圖2，圖2為本實(shí)施例中0角與yS角的關(guān)系圖。北京華維浩潤儀器有限公司的BR73-1精 密旋轉(zhuǎn)臺2的測量精度為5'，在旋轉(zhuǎn)臺2的轉(zhuǎn)動角為1°吋，對應(yīng)負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為 0.004603°，測量精度為0.027'。隨著精密旋轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動角度的增大，測量精度隨之下降。在 旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角為10°時，對應(yīng)負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為0.118002°，測量精度為O.l'。在旋 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角為40°時，對應(yīng)負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為1.884988°，測量精度為0.605'。在本 實(shí)施例中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動角為62.29。，對應(yīng)負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為9.258°時，精度降 為與旋轉(zhuǎn)臺2的精度5'相同。
實(shí)施例2
與實(shí)施例l類似，區(qū)別在于，將實(shí)施例l中的光闌4移動，使零級透射光6和負(fù)一級衍 射光7可以同時通過光闌4的透光窗41 。
此時零級透射光6和負(fù)一級衍射光7之間的夾角y角可由式(4)算得。精度分析與實(shí)施 例1相同。當(dāng)/ =0時，y角的最小值為5.007305°。當(dāng)精度降為與精密旋轉(zhuǎn)臺2的精度相同時， y角的值為14.265°。實(shí)施例3
與實(shí)施例1類似，區(qū)別在于，將實(shí)施例1中的激光器1換為波長為650nm的半導(dǎo)體激光 器，光柵3換為周期65pm的全息光柵。參見圖3,在旋轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動為1°時，對應(yīng)負(fù)一級衍 射光7的偏轉(zhuǎn)角為(1.373xlO"4) °，測量精度為0.0011';在旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角為10°時，對應(yīng)負(fù)一 級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為0.009361°，測量精度為0.0092';在旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角為40°時，對應(yīng)負(fù)一 級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為0.17914°，測量精度為0.0563'。在本實(shí)施例中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺2轉(zhuǎn)動角為 80.64°，對應(yīng)負(fù)一級衍射光7的偏轉(zhuǎn)角為4.121°吋，精度降為與旋轉(zhuǎn)臺2的精度5'相同。
實(shí)施例4
與實(shí)施例3類似，區(qū)別在于，將實(shí)施例3的光闌4移動，使零級光6和負(fù)一級衍射光7 可以同時通過光闌4的透光窗41。
此時零級光6與負(fù)一級衍射光7之間的夾角y角可由式(4)算得。精度分析與實(shí)施例3 相同。當(dāng)》=0時，y角的最小值為0.572967°。當(dāng)精度降為與旋轉(zhuǎn)臺2的精度相同時，y角的 值為4.694°。
權(quán)利要求1.基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于設(shè)有激光器、可測量旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)臺、光柵和光闌，光柵設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上且位于旋轉(zhuǎn)臺的直徑垂直面上，光柵的光柵面背向激光器，激光器設(shè)于光柵前方，激光器發(fā)出的激光光束垂直入射于光柵，并且穿過旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸，光闌設(shè)于光柵后的光路中，光闌上設(shè)有透光窗。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)臺 上設(shè)有微調(diào)旋鈕。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于微調(diào)旋 鈕為微調(diào)螺桿。
專利摘要基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置，涉及一種激光光束偏轉(zhuǎn)裝置。提供一種成本低、偏轉(zhuǎn)精度高的基于光柵的高精度激光光束小角度偏轉(zhuǎn)裝置。設(shè)有激光器、可測量旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)臺、光柵和光闌。光柵設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上且位于旋轉(zhuǎn)臺的直徑垂直面上，光柵的光柵面背向激光器，激光器設(shè)于光柵前方，激光器發(fā)出的激光光束垂直入射于光柵，并且穿過旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸，光闌設(shè)于光柵后的光路中，光闌上設(shè)有透光窗，透光窗只供由光柵產(chǎn)生的一束衍射光通過。
文檔編號G01D11/00GK201378063SQ200920137649
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者任雪暢, 守 劉, 劉國華, 張向蘇, 王燦輝 申請人:廈門大學(xué)