非线性光学晶体温控及光路调整装置的制作方法

本发明涉及光学晶体控制装置领域，具体是一种非线性光学晶体温控及光路调整装置。

背景技术：

非线性光学晶体是一种利用其在强激光、强外场等作用下，发生二次及以上非线性效应，进行对现有激光的波长、波长范围进行扩展的器件，可进行倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术。非线性光学晶体是一种功能材料，在激光技术领域具有重要应用价值。广泛应用的有kdp、kd*p、csh2a5o4(cda)；ktiopo4、knbo3、ninbo3、ba2nanb5o15；bab2o4(bbo)、lib3o5(lbo)、nano2；gaas、insb、inas、zns等。

非线性光学晶体自身内部结构的复杂性，多样性，以及加工过程中切向，与理论切割面的误差等等原因。放置在激光光路中的非线性光学晶体，除了保证有足够的通光面外，还需要对晶体进行旋转调节，对入射角度进行调谐。

非线性光学晶体种类多样，用途也比较广泛。当非线性光学晶体用于温度匹配和波长调谐时，需要对温度进行温度调节和恒温控制。当非线性光学晶体用于非温度匹配和波长调谐时，也需要对晶体进行必要的温度控制，以获得最佳的功率转换效率和降低晶体的热应力。因此需要一种装置，不仅能对非线性光学晶体进行温度调节、恒温控制，而且能对晶体进行旋转、左右上下俯仰的角度调节。

目前市场上可以买到恒温炉用于晶体的温度控制，但其体积庞大，不易装配在光路中，即使能装在光路中，也因为不能进行角度调节，还需要转配到光学调整架中，进一步增加了装置的体积和重量。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种非线性光学晶体温控及光路调整装置，以实现对非线性光学晶体的恒温控制，并在光路中实现水平、俯仰、旋转等多维调节，从而满足对激光器工作的需要。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

非线性光学晶体温控及光路调整装置，其特征在于：包括光路调整部分和温控部分，其中：

光路调整部分包括导热材料制成的调整部件底座、保温材料制成的保温绝缘外壳，调整部件底座上一体成型有支撑座，保温绝缘外壳通过转轴俯仰转动安装于支撑座一侧，保温绝缘外壳内置有晶体夹持装置，晶体夹持装置由导热材料制成，晶体夹持装置中同轴设有非线性光学晶体，非线性光学晶体、晶体夹持装置的轴向水平垂直于保温绝缘外壳连接的转轴轴向，非线性光学晶体随晶体夹持装置在保温绝缘外壳内旋转，且非线性光学晶体和晶体夹持装置整体随保温绝缘外壳俯仰转动，保温绝缘外壳侧壁对应非线性光学晶体端部位置分别设有通光孔，调整部件底座还设有竖直贯通调整部件底座的固定孔，其中一个固定孔为圆孔，另一个固定孔为腰形孔；

温控部分包括开关电源、人机交互单元、小型恒温控制单元、tec温控专用集成芯片、热敏电阻探头、tec制冷片、散热风机，其中散热风机固定于支撑座另一侧，热敏电阻探头嵌入晶体夹持装置，tec制冷片一面进入保温绝缘外壳内与晶体夹持装置接触，tec制冷片另一面直接或间接接触支撑座；所述开关电源输入端连接市电，开关电源输出端分别与人机交互单元、小型恒温控制单元的电源端连接，由开关电源将市电转换为人机交互单元、小型恒温控制单元的工作电压并供电至人机交互单元、小型恒温控制单元，人机交互单元与小型恒温控制单元之间通过通讯接口连接，tec温控专用集成芯片与小型恒温控制单元集成为一体作为小型恒温控制单元的中央处理元件，小型恒温控制单元分别与热敏电阻探头、tec制冷片、散热风机电连接，由小型恒温控制单元接收热敏电阻探头的电信号后转换为数据送入tec温控专用集成芯片，tec温控专用集成芯片内含pid控制算法，通过pid控制算法将采集的温度数据与预设的温度数据进行比较后输出指令数据，指令数据由小型恒温控制单元转换为pwm信号后送入tec制冷片、散热风机，实现tec制冷片、散热风机的pid控制驱动。

所述的非线性光学晶体温控及光路调整装置，其特征在于：所述保温绝缘外壳有一面开口，保温绝缘外壳开口的一面盖合连接有转接块，所述转接块由导热材料制成，转接块连接所述转轴并通过转轴转动安装于支撑座对应侧，保温绝缘外壳内的晶体夹持装置与转接块之间有间隙，间隙中设有pvc片以隔离晶体夹持装置和转接块，由保温绝缘外壳与pvc片构成保温箱并通过转接块封闭保温箱，所述tec制冷片设于晶体夹持装置和转接块之间间隙，tec制冷片一面与晶体夹持装置接触，tec制冷片另一面与转接块接触，tec制冷片通过转接块间接接触支撑座。

所述的非线性光学晶体温控及光路调整装置，其特征在于：所述晶体夹持装置包括导热材料制成的晶体安装筒、晶体夹块，其中晶体安装筒固定于保温绝缘外壳内，且晶体安装筒轴向水平垂直于转轴轴向，晶体夹块内部形成有安装通孔，晶体夹块同轴转动装配在晶体安装筒内，非线性光学晶体同轴固定于晶体夹块中。

所述的非线性光学晶体温控及光路调整装置，其特征在于：所述晶体夹块中设有深孔，热敏电阻探头插入深孔中并与晶体夹块充分接触。

所述的非线性光学晶体温控及光路调整装置，其特征在于：所述tec制冷片一面嵌入晶体安装筒并与晶体夹块充分接触，tec制冷片另一面与转接块接触或嵌入转接块后与转接块充分接触。

本发明设计了一种基于tec模块、pwm方式调控的恒温控制技术，基于光机电一体化的机械结构的小型化非线性光学晶体温控及光路调整装置，能够同时满足非线性光学晶体温控和光路调整控制需求。

本发明能够实现非线性光学晶体的水平、俯仰、旋转等多维调节；包括小型恒温控制单元、人机交互单元、开关电源的温控部分实现对温度的采集和控制。

本发明中，采用完整的pid算法，tec制冷片双向控制。根据温差的大小，精确计算tec的电流。给tec的电流采用pwm并lc连续化处理驱动，无off阶段，保证温度在控制周期内都是连续稳定的。

本发明中，人机交互单元与小型恒温控制单元通过通讯接口连接。小型恒温控制单元能记忆设置的数据，既能脱开人机交互单元自主工作，又可以实时控制，又可以与其他控制系统连接实现数据的采集和控制。

本发明中，机械结构简单，体积小，调整范围大，调节精度较低，但能满足对非线性光学晶体的角度调谐。

本发明具有体积小、结构简单、成本低、温度控制精度高、温控范围大，可广泛应用于激光倍频、差频、和频、opo、opa等非线性光学晶体的频率变换的生产科研领域。

附图说明

图1为本发明光路调整部分的轴测图。

图2为本发明光路调整部分的正视图。

图3为本发明光路调整部分的正向剖视图。

图4为本发明温控部分结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图4所示，非线性光学晶体温控及光路调整装置，包括光路调整部分和温控部分，其中：

光路调整部分包括导热材料制成的调整部件底座1、保温材料制成的保温绝缘外壳9，调整部件底座1上一体成型有支撑座10，保温绝缘外壳9通过转轴11俯仰转动安装于支撑座10一侧，保温绝缘外壳9内置有晶体夹持装置，晶体夹持装置由导热材料制成，晶体夹持装置中同轴设有非线性光学晶体6，非线性光学晶体6、晶体夹持装置的轴向水平垂直于保温绝缘外壳9连接的转轴11轴向，非线性光学晶体6随晶体夹持装置在保温绝缘外壳9内旋转，且非线性光学晶体6和晶体夹持装置整体随保温绝缘外壳9俯仰转动，保温绝缘外壳9侧壁对应非线性光学晶体6端部位置分别设有通光孔，调整部件底座1还设有竖直贯通调整部件底座10的固定孔12，其中一个固定孔为圆孔，另一个固定孔为腰形孔；

温控部分包括开关电源13、人机交互单元14、小型恒温控制单元15、tec温控专用集成芯片16、热敏电阻探头7、tec制冷片3、散热风机8，其中散热风机8固定于支撑座10另一侧，热敏电阻探头7嵌入晶体夹持装置，tec制冷片3一面进入保温绝缘外壳9内与晶体夹持装置接触，tec制冷片3另一面直接或间接接触支撑座10；开关电源13输入端连接市电，开关电源13输出端分别与人机交互单元14、小型恒温控制单元15的电源端连接，由开关电源13将市电转换为人机交互单元14、小型恒温控制单元15的工作电压并供电至人机交互单元14、小型恒温控制单元15，人机交互单元14与小型恒温控制单元15之间通过通讯接口17连接，tec温控专用集成芯片16与小型恒温控制单元15集成为一体作为小型恒温控制单元15的中央处理元件，小型恒温控制单元15分别与热敏电阻探头7、tec制冷片3、散热风机8电连接，由小型恒温控制单元15接收热敏电阻探头7的电信号后转换为数据送入tec温控专用集成芯片16，tec温控专用集成芯片16内含pid控制算法，通过pid控制算法将采集的温度数据与预设的温度数据进行比较后输出指令数据，指令数据由小型恒温控制单元15转换为pwm信号后送入tec制冷片3、散热风机8，实现tec制冷片3、散热风机8的pid控制驱动。

保温绝缘外壳9有一面开口，保温绝缘外壳9开口的一面盖合连接有转接块2，转接块2由导热材料制成，转接块2连接转轴11并通过转轴11转动安装于支撑座10对应侧，保温绝缘外壳9内的晶体夹持装置与转接块2之间有间隙，间隙中设有pvc片以隔离晶体夹持装置和转接块2，由保温绝缘外壳9与pvc片构成保温箱并通过转接块2封闭保温箱，tec制冷片3设于晶体夹持装置和转接块2之间间隙，tec制冷片3一面与晶体夹持装置接触，tec制冷片3另一面与转接块2接触，tec制冷片3通过转接块2间接接触支撑座10。

晶体夹持装置包括导热材料制成的晶体安装筒4、晶体夹块5，其中晶体安装筒4固定于保温绝缘外壳9内，且晶体安装筒4轴向水平垂直于转轴11轴向，晶体夹块5内部形成有安装通孔，晶体夹块5同轴转动装配在晶体安装筒4内，非线性光学晶体6同轴固定于晶体夹块5中。

晶体夹块5中设有深孔，热敏电阻探头7插入深孔中并与晶体夹块5充分接触。tec制冷片3一面嵌入晶体安装筒4并与晶体夹块5充分接触，tec制冷片3另一面与转接块2接触或嵌入转接块2后与转接块2充分接触。

如图4所示，本发明温控部分包括开关电源13、人机交互单元14、通讯接口17、小型恒温控制单元15、热敏电阻探头7、tec制冷片3、tec温控专用集成芯片16、散热风机8。

开关电源13实现220v交流电转化为人机交互单元14，小型恒温控制单元15的+5v直流电源。

人机交互单元14、小型恒温控制单元15通过通讯接口17连接，通讯接口17为串口，实现指令的下达，数据的传送。人机交互单元14为液晶显示模块和按键开关，可实现恒温温度的设置，以及控制精度的设置。

小型恒温控制单元15与热敏电阻探头7、tec制冷片3、散热风机8连接。热敏电阻探头7放置在图3中的晶体夹块5中，热敏电阻探头7的阻值的变化能表征非线性光学晶体的温度。

tec温控专用集成芯片16为小型恒温控制单元15的中央处理元件，内含完整pid控制算法，控温精度可达0.01度。采集的温度与设置的温度进行比较，通过完整的pid控制算法，输出指令，给tec的电流采用pwm并lc连续化处理驱动，保证温度在控制周期内都是连续稳定的。

tec制冷片3为双向控制，可实现加热和制冷模式。当制冷模式时，同时启动散热风机8，提高制冷效率。当加热模式时，关断散热风机8，提高制热效率。

如图1-图3所示，光路调整部分包括调整部件底座1、转接块2、tec制冷片3、晶体安装筒4、晶体夹块5、非线性光学晶体6、热敏电阻探头7、散热风机8、保温绝缘外壳9。调整部件底座1、转接块2、晶体安装筒4、晶体夹块5均为紫铜材料，导热性能良好，保温绝缘外壳9为pvc或尼龙材质，导热性能较差。

采用导热性能良好的铟纸包裹着非线性光学晶体6，用晶体夹块5夹持，并放置于晶体安装筒4中。晶体夹块5由2块对称的半圆柱组成的一个完整的圆柱体，内部切割成非线性光学晶体6的形状，晶体安装筒4的内部加工成圆柱体通孔，圆柱体的内径与晶体夹块5的圆柱体的外径匹配，晶体夹块5可以在晶体安装筒4内360度旋转，从而实现非线性光学晶体6可以在沿光轴垂直的平面内自由旋转。

晶体夹块5的本体中有一个直径为2mm的深孔，填入导热硅脂，并将热敏电阻探头7插入，入口处用环氧树脂胶封口。晶体夹块5与转接块2采用塑料螺丝连接并紧固，在晶体夹块5与转接块2之间放置tec制冷片3，tec制冷片3两侧面均涂有导热硅脂，并分别与晶体夹块5与转接块2充分接触，晶体夹块5与转接块2之间有2mm间隙，并用pvc片隔离，不能实现热量传递。然后再用保温绝缘外壳9罩住。pvc片与保温绝缘外壳9组成保温箱。

接块2一侧有圆柱形凸起，由该圆柱形凸起作为转轴11，调整部件底座1的支撑座10有一圆柱形通孔与转轴11匹配，转接块2及其连接的所有元件（tec制冷片3、晶体安装筒4、晶体夹块5、非线性光学晶体6、热敏电阻探头7、保温绝缘外壳9）可绕轴心旋转。从而实现非线性光学晶体6在光路中的俯仰调整。调整完毕后用螺丝紧固。

调整部件底座1的支撑座10一侧安装有散热风机8，调整部件底座1的下平面用螺丝与光学平台连接并紧固，调整部件底座1有2个固定孔12，1个孔为圆孔，另一个孔为腰孔，调整部件底座1可以绕着圆孔适当旋转，从而实现非线性光学晶体6在光路中的水平调整。调整完毕后用螺丝紧固。