专利名称：基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光光束偏转装置，尤其是涉及一种基于光栅衍射实现激光光束高 精度小角度偏转装置。
背景技术：
在现代光学实验中，经常需要使激光光束改变方向，按一定的角度偏转。这种偏转可以 通过转动反射镜，或者旋转光楔棱镜来实现。通过机械方式转动反射镜，可以改变光束至镜 面的入射角，以达到使反射光束偏转的目的。反射光偏转的角度为反射镜偏转角度的两倍， 因此偏转角精度仅为反射镜旋转精度的1/2，使得反射镜只能用于对角度精度要求不高的情 形。而光楔则可以在小角度范围内实现较高精度的光束偏转，可以用于一些对光束偏转精度 较高的场合，例如星间激光通信终端跟瞄系统中光束传递的模拟，或在光电测量系统中进行 测角精度标定等。
光楔用于产生光束的小角度偏转的精度受楔角大小限制，楔角越大，偏转和扫描的精度 越低，另外对光楔的加工精度也有很高的要求。由于光楔的加工误差和楔角大小的限制使得 光楔的光束偏转精度被限制在角秒量级，使得所有使用光楔实现光束偏转的场合精度都受到 限制。另外楔角越小，加工精度越高，光楔的价格就越高。
由于楔角的限制，为了提高光束偏转的精度，只能选用高精度的机械转动装置，例如采 用步进仪来旋转光楔，但增加了成本。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种成本低、偏转精度高的基于光栅的高精度激光光束小角 度偏转装置。
本实用新型设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑。光栅设于旋转台上且 位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出 的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上 设有透光窗，透光窗只供由光栅产生的一束衍射光通过。
旋转台上最好设有微调旋钮，微调旋钮最好为微调螺杆，微调旋钮用于转动调节旋转台。
本实用新型的工作原理如下为使负一级衍射光发生角度为e角的偏转，可通过旋转台转动而使光栅发生角度为卩角
的偏转而实现。其中，P角的大小由下式决定
0 = sin-1 - sin(仰-sin-1 (, + 〃
d cf (1)
其中m为衍射光的衍射级次，义为激光器发出的激光波长，"为光栅的周期。 则衍射光转动的角度0与光栅转动的角度P之间的比值为 d夕， cos/
-=1 -
i/々 附义. 2
" (2)
当光栅的周期C/远大于入射光的波长A时，0 yff曲线上各点的斜率很小，因此旋转台转
动一个大角度y ，衍射光只会转动一个微小的角度^用最小读数来表征光束偏转的精度，若 旋转台的最小角度读数为b，则0角的最小读数a可由下式表示
"， cos" 、
a = b(l——, r )
/， ,m义.m2
" (3)
本实用新型用于实现产生两束成一定高精度夹角的激光光束时，使用光阑挡住其它光线， 只让零级光和其中一级衍射光通过。此时两束光的夹角y与光栅转动的角度P之间的关系可
以用下式表示
"sin-详-sin⑨)+ y9
" (4)
y角随P角的变化率由下式给出 fi^ _ cos々
=1
~ " (5) 由于式(5)与(2)相等，因此两种情形下两束激光夹角的精度都可由式(3)表征，由 激光的波长、光栅的周期、旋转台的旋转角度A角和旋转台的角度测量精度共同决定，并且 随着"角的增大而降低。
以下给出1个优选方案分析式(3)可知，在光束需要偏转的最大角度为y 角的情况下， 若旋转台的精度越高，即最小角度读数b越小、激光的波长义越小、光栅的周期"越大，则 衍射光的偏转角e角的最小读数a就越小，光束偏转精度就越高。因此在旋转台的精度有限、 激光的波长义选择范围不大时，可以选用周期^很大的光栅来提高光束偏转的精度。由于相比于制备小周期的光栅，^很大的大周期光栅制备反而更加容易，因而本实用新型的偏转精 度几乎没有限制。然而在周期d增大，精度增加的同时，光束偏转的角度范围就会变小，因 此在实际应用中应根据需要选择周期合适的光栅。
另外，附;yy的绝对值越小，a值越小，因此选用级次最低的衍射光，即令附=±1，可以 得到最高的角度偏转精度。进一步而言，由于附=1时，由式(2)可知，必，/c砂的值在正负之 间变化，当光栅往一个方向旋转时，衍射光会先往一个方向偏转，然后在光栅旋转一定角度 后，向反方向偏转。因此选用m=_l，即光栅的负一级衍射光作为小角度偏转的光束。根据 Hutley (哈特利)的定义，衍射光线与入射光线在光栅法线的同一侧时，m的符号为正，反 之为负。
另外由式(3)可知，本实用新型的测量精度随着光栅转角^角的增大而降低。当yff角增 大到使必，/4^的绝对值等于l时，0角的变化率与"角的变化率相等，此时光束偏转角的测量 精度降为与光栅旋转角的测量精度相同。
基于上述原理，本实用新型使用时，将激光器输出的激光束垂直入射低频光栅后，通过 旋转并测量光栅转动的角度，可精确控制衍射光偏转的角度，通过预先标好的光栅旋转的角 度和衍射光偏转的角度之间的对应关系，即可实现激光光束的高精度小角度偏转。本实用新 型具有结构简单、体积小、成本低和测量精度高等特点，是一种用途很广泛的通用器件，尤
其适用于模拟光学传递系统中较小角度范围内的光束偏转，也适用于产生两束成一定夹角、 角度可高精度调控的激光光束。
图1是本实用新型实施例1的结构示意图。在图1中，l.激光器，2.旋转台，3.光栅， 4.光阑，5.旋转轴，6.零级光，7.负一级衍射光，8.微调螺杆。
图2为本实用新型实施例l中e角与"角的关系图。在图2中，横坐标为光栅旋转的角 度^ (° )，纵坐标为负一级衍射光偏转的角度0 (° )。
图3为本实用新型实施例3中0角与/ 角的关系图。在图3中，横坐标为负一级衍射光 偏转的角度yff (° )，纵坐标为光栅旋转的角度0 (° )。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。 实施例1
参见图l，本实用新型设有激光器l、可测量旋转角度的旋转台2、光栅3和光闹4。光 栅3设于旋转台2上且位于旋转台2的直径垂直面上，光栅3的光栅面背向激光器1，激光
5通过。旋转台2上设有微调螺杆8，微调螺杆8用于转动调节旋转台2。
在图1中，激光器1采用波长义为632.8nm，输出功率为40mW的He-Ne激光器，光栅 3采用周期为7.25pm的全息光栅，旋转台2采用北京华维浩润仪器有限公司的BR73-1精密 旋转台。激光器l的出光口距离光栅3的距离为lm，光阑4距离光栅3的距离为5cm。光阑 4上的透光窗41尺寸为1.25cmxl.25cm。
本实施例的使用方法按以下步骤进行
1、 打开激光器l;
2、 调整旋转台2确定光栅的初始位置，以确保激光光束垂直入射于光栅面。可在光栅3 面对激光器1的表面上贴上一块反射镜，反射镜的反射面朝向激光器1。然后调节旋转台2 的微调螺杆8，使得反射镜反射出来的激光返回到激光器1的出光口中，记下此时旋转台2 的旋转角度的读数A;
3、 去掉反射镜，移动光阑4使得仅有负一级衍射光7通过光阑4。
4、 调节微调螺杆8使旋转台2逆时针旋转，记下此时旋转台2的旋转角度的读数"2，则
旋转台2转过的角度A = A - A 。
此时负一级衍射光7的偏转角0角可由式(1)算得，0角的精度可以由式(3)算得。 参见图2，图2为本实施例中0角与yS角的关系图。北京华维浩润仪器有限公司的BR73-1精 密旋转台2的测量精度为5'，在旋转台2的转动角为1°吋，对应负一级衍射光7的偏转角为 0.004603°，测量精度为0.027'。随着精密旋转台2转动角度的增大，测量精度随之下降。在 旋转台转动角为10°时，对应负一级衍射光7的偏转角为0.118002°，测量精度为O.l'。在旋 转台转动角为40°时，对应负一级衍射光7的偏转角为1.884988°，测量精度为0.605'。在本 实施例中，当旋转台2转动角为62.29。，对应负一级衍射光7的偏转角为9.258°时，精度降 为与旋转台2的精度5'相同。
实施例2
与实施例l类似，区别在于，将实施例l中的光阑4移动，使零级透射光6和负一级衍 射光7可以同时通过光阑4的透光窗41 。
此时零级透射光6和负一级衍射光7之间的夹角y角可由式(4)算得。精度分析与实施 例1相同。当/ =0时，y角的最小值为5.007305°。当精度降为与精密旋转台2的精度相同时， y角的值为14.265°。实施例3
与实施例1类似，区别在于，将实施例1中的激光器1换为波长为650nm的半导体激光 器，光栅3换为周期65pm的全息光栅。参见图3,在旋转台2转动为1°时，对应负一级衍 射光7的偏转角为(1.373xlO"4) °，测量精度为0.0011';在旋转台转动角为10°时，对应负一 级衍射光7的偏转角为0.009361°，测量精度为0.0092';在旋转台转动角为40°时，对应负一 级衍射光7的偏转角为0.17914°，测量精度为0.0563'。在本实施例中，当旋转台2转动角为 80.64°，对应负一级衍射光7的偏转角为4.121°吋，精度降为与旋转台2的精度5'相同。
实施例4
与实施例3类似，区别在于，将实施例3的光阑4移动，使零级光6和负一级衍射光7 可以同时通过光阑4的透光窗41。
此时零级光6与负一级衍射光7之间的夹角y角可由式(4)算得。精度分析与实施例3 相同。当》=0时，y角的最小值为0.572967°。当精度降为与旋转台2的精度相同时，y角的 值为4.694°。
权利要求1.基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑，光栅设于旋转台上且位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上设有透光窗。
2. 如权利要求1所述的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于旋转台 上设有微调旋钮。
3. 如权利要求2所述的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，其特征在于微调旋 钮为微调螺杆。
专利摘要基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置，涉及一种激光光束偏转装置。提供一种成本低、偏转精度高的基于光栅的高精度激光光束小角度偏转装置。设有激光器、可测量旋转角度的旋转台、光栅和光阑。光栅设于旋转台上且位于旋转台的直径垂直面上，光栅的光栅面背向激光器，激光器设于光栅前方，激光器发出的激光光束垂直入射于光栅，并且穿过旋转台的旋转轴，光阑设于光栅后的光路中，光阑上设有透光窗，透光窗只供由光栅产生的一束衍射光通过。
文档编号G01D11/00GK201378063SQ200920137649
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者任雪畅, 守 刘, 刘国华, 张向苏, 王灿辉 申请人:厦门大学