一种带有铰链结构的光栅角度调节装置的制作方法

本实用新型属于半导体激光器技术领域，涉及一种光栅角度调节装置。

背景技术：

目前常用的窄线宽激光器是外腔式半导体激光器，它是在激光二极管外部加上一个光学色散元件，如光栅、F-P腔等把一部分输出光反馈回去，构成了一个激光谐振腔，对激光器的横模和纵模都会起到重新选择的作用。

现有外腔式半导体激光器一般采用的是光栅反馈外腔式半导体激光器，其常用的两种结构是Littrow结构和Littman结构。

在Littrow结构中，激光二极管的输出光经过准直透镜准直，投射在闪耀光栅上，零级衍射光作为输出光束，一级衍射光反馈回激光二极管，形成光振荡。由于光栅的色散作用，一级衍射光中只有某一个波长能够反馈回激光二极管，形成激光振荡。其他波长的光无法回到激光二极管，也就不能形成激光器振荡受到抑制。采用这种结构的外腔式半导体激光器瞬时输出线宽可以压窄到1MHz或者更低。通过光栅的反馈角度，可以在一定范围内调谐激光器的波长。外腔式半导体激光器的光栅的反馈角度除了手动粗调外，还可以使用一块压电陶瓷微调，使得激光器的输出波长在一定范围内可以进行电控调谐。

Littman结构的外腔式半导体激光器与此基本类似，所不同的是Littman结构中一级衍射光并不直接反馈回激光二极管，而是垂直入射到一面反射镜上，再原路反射回闪耀光栅，反射光在闪耀光栅的作用下再次发生衍射，新产生的零级衍射光反馈回到激光二极管，形成振荡。Littman结构中的反馈光两次经过光栅，发生了两次选频，因此其输出线宽比Littrow结构还要窄得多，瞬时输出线宽一般可以做到100KHz或者更低。也因为其光路较Littrow结构长，机械结构更复杂，更容易受到外接机械振动的影响，尤其是声频振荡。另外，有更多的光功率在选频过程中被消耗。因此，使用同样的激光二极管，Littman结构的外腔式半导体激光器输出功率较Littrow结构小。

无论是Littman结构还是Littrow结构，它们调节波长或频率的性能都取决于调节光栅反馈角的机械结构的性能。良好的调节结构应能够保证光栅反馈角连续微转动，并且在调节范围内隔绝外界环境的振动干扰。

Littman结构和Littrow结构目前采用的是细牙螺纹调节装置或弹簧调节装置来调节光栅反馈角。细牙螺纹调节装置，存在调整不均匀、螺纹配合容易因环境振动发生接触滑移等问题，从而造成频率漂移，导致激光跳模；弹簧调节装置因结构限制，导致整体的固有频率较低，易与外界扰动形成共振，造成频率的无规律跳动，非常不利于频率的同步调谐。

技术实现要素：

为实现外腔式半导体激光器的输出波长或输出频率的连续调谐，并且保证在调节范围内不受外界环境的振动干扰，保持光路稳定，本实用新型提出了一种带有铰链结构的光栅角度调节装置。

本实用新型的技术方案是：

一种带有铰链结构的光栅角度调节装置，包括调节基座和安装在调节基座内的调节腔；所述调节装置的侧壁上设置有一个入口和一个出口，入口和出口相连通；其特殊之处在于：所述调节腔内固定安装有光栅和平面反射镜；所述光栅用于接收从所述入口进入调节腔的光束；所述平面反射镜用于接收所述光栅的一级衍射光；所述平面反射镜的反射光束从所述出口出射；所述调节基座内安装有压电陶瓷，所述压电陶瓷的压力作用方向垂直于所述平面反射镜或光栅反射面；所述调节腔和调节基座为一体件，调节腔和调节基座之间设置有铰链结构；所述铰链结构与压电陶瓷的压紧端接触；所述铰链结构包括设置在调节腔和调节基座之间的五个独立不相接的铰链槽，这五个铰链槽形成六边形，并且相邻两个铰链槽之间形成一个薄壁结构，所述薄壁结构即为铰链；所述六边形中有一组对边与所述压电陶瓷压力作用方向垂直，六边形的一个顶点作为所述调节腔的旋转中心；在压电陶瓷驱动作用下，所述铰链产生形变使得调节腔相对调节基座旋转一定角度。

上述薄壁结构厚度为0.5～2mm，长度为5～20mm；薄壁结构距离调节腔的最小距离0.2～2mm；所述压电陶瓷的行程0～15μm。

上述调节腔的一阶固有频率为2000Hz～5000Hz。

上述调节装置还包括载体和粗调装置；所述调节基座外部为圆柱形，调节基座设置在所述载体内；所述粗调装置包括设置在载体上的多个径向锁紧螺钉、1个周向调节螺钉和1个周向锁紧螺钉；所述多个径向锁紧螺钉沿调节基座的圆周均布，其轴向均与所述调节基座的径向重合，并且其中1个径向锁紧螺钉的轴向与所述压电陶瓷压力垂直；所述周向调节螺钉和周向锁紧螺钉呈90度布置，并且其轴向均与所述调节基座的圆周相切。

上述调节装置还包括固定安装在载体上端的压盖。

上述入口和出口处均通过压圈固定有密封镜，密封镜处采用环氧树脂胶密封；所述密封镜的双面均镀有高透膜。

上述压电陶瓷的控制线路通过绝缘密封垫从所述调节腔内引出；所述绝缘密封垫和调节腔之间采用环氧树脂胶密封。

上述调节腔、调节基座和铰链结构三者的材料相同。

上述调节腔的材料为7075合金铝。

上述调节螺钉可由细牙手轮替代。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的光栅角度调节装置的调节腔和调节基座之间设置有铰链，采用压电陶瓷激励，使得调节腔相对于调节基座产生连续稳定地微偏转，实现激光调节腔内激光束的频率或波长的连续调谐；由于偏转时调节腔仅发生刚体位移(即调节腔作为一个整体偏转，调节腔不产生弹性形变)，保证了光栅和平面镜反射的相对位置，确保了光路的稳定性。

2、本实用新型的调节腔和调节基座为一体件，在调节腔和调节基座之间加工有5条独立不相接的铰链槽，相邻两个铰链槽之间形成一小段薄壁结构(该薄壁相当于铰链)，在压电陶瓷的作用下，窄带短壁结构发生弹性变形，使得调节腔整体相对于调节基座微偏转(薄壁结构越薄，调节腔微偏转所需的力就越小)；由于微偏转的调节腔和调节基座间直接相连，没有摩擦作用力，故光栅角度调节装置调节时动态响应迅速，具有良好的结构稳定性。本实用新型这种特殊设计的铰链结构，能够保证调节的方向和调节的幅度(可通过控制窄带薄壁的长度和厚度来控制调节的幅度)，同时也兼顾光栅角度调节装置的结构稳定。

3、本实用新型每个铰链的厚度为0.5～2mm，长度为5～20mm，使得调节腔的一阶固有频率最高能够达到2000Hz～5000Hz，保证了压电陶瓷的压力输入与调节腔偏转角度的常数稳定性，进一步避免了环境扰动引起的参数漂移。

4、本实用新型通过对压电陶瓷进行控制实现激光调节腔内激光束的频率或波长的连续调谐，操作简易方便，功能独立，且压电陶瓷易于被嵌入。

附图说明

图1为本实用新型的实施场合示意图。

图2示为本实用新型关键零件调节腔的俯视图；

图3为本实用新型的内部结构图示意图；

图4为本实用新型的分解图；

图5为本实用新型的压盖的平面图；

图6为本实用新型的剖面轴测图；

具体实施方式

图1示出了本实用新型的一个实施场合。半导体激光器将激光光束打到光栅表面，光栅的一级衍射光经平面反射镜反射至激光器内。衍射光的频率与光栅至激光器的距离有关。同步调谐方法就是指同时调节激光器激光束频率和光栅角度，使得光栅衍射光的频率与激光器束频率相同，产生共振。

图2所示，本实用新型的调节腔1和调节基座3为一体件，通过线切割加工五条铰链槽，这五条铰链槽独立不相接并形成六边形，且相邻两个铰链槽之间有一段重叠形成一个薄壁结构，该薄壁结构即为铰链，如图2中所示铰链4、铰链5，铰链6和铰链7，其中，铰链4由铰链槽8和铰链槽9相邻形成，铰链5由铰链槽9和铰链槽10相邻形成，铰链6由铰链槽10和铰链槽11相邻形成，铰链7由铰链槽11和铰链槽12相邻形成；铰链4始于铰链槽9的端点m，终于铰链槽8的端点n，其它铰链同理；工作时，调节腔1围绕旋转中心2进行刚体微偏转。

如图3所示，调节腔和调节基座整体为中空圆柱结构，安装在载体13上，载体13上设置有4个均布的径向细牙锁紧螺钉21，相互呈90度布置的1个周向细牙锁紧螺钉19和1个周向细牙调节螺钉20；4个径向细牙锁紧螺钉21的轴线与调节基座3的径向重合；周向细牙锁紧螺钉19和周向细牙调节螺钉20的轴线均与调节基座3的圆周相切。

调节装置入口和调节装置出口处均采用密封镜15(双面均镀有高透膜)密封，并用压圈14压紧，密封镜15四周涂抹环氧树脂密封。

平面反射镜16和光栅17安装在调节腔1内，压电陶瓷18安装在调节基座内(基座内预留有压电陶瓷的嵌入空间)，压电陶瓷18的一端与铰链相接触，另一端与调节基座内壁相接触。压电陶瓷18的控制线通过绝缘密封垫22从引出通道a处引出，并对引出通道a四周用航空环氧树脂密封。

图3中d是激光器的出射光束(进入调节腔的光束)，c是光栅的一级衍射光束，b是经平面镜反射之后的出射光束。

图4所示为本实用新型的分解图，压盖23通过螺钉24安装在载体13上对调节腔1和调节基座3进行轴向压紧。

图5所示为本实用新型压盖的示意图，压盖的下端面上有三个圆周均布的凸台，通过其对调节基座进行接触压紧。

本实用新型所提供的光栅角度调节装置在使用时，可以先通过粗调装置进行粗调，粗调完后再通过压电陶瓷进行精调，以提高调节效率。具体为：

(1)粗调：

通过周向细牙调节螺钉调节调节腔的位置，同步调节激光束的频率，调整到合适的频率后，利用1个周向锁紧螺钉和4个径向锁紧螺钉将调节腔锁死，粗调阶段完成。

(2)精调：

同步控制激光束频率和压电陶瓷电压，缓慢调节，直至衍射光的频率和激光光束的频率调谐成功。