专利名称：光束横移器及其调节方法
技术领域：
本发明属于激光新器件技术领域。
在复杂的现代光学实验光路中，经常含有多个大型独立单元。例如大型气体或固体激光器、泵光源激光器-染料激光器系统、带有加热、低温或真空系统的实验对象装置、终端的单色仪或其它大型分析检测仪器等，由于不便于或不可能灵活地移动它们的光轴，使整体光路的统调非常困难。迄今，普遍的情况是过量地使用系统自带的支脚螺栓，或是利用手边任何可以利用的器物(包括书本)临时支垫。其后果是造成人为的不稳定。显然光路很难工作在最佳状态。某些激光应用工程和激光在线检测体系中也有类似的问题。
对于上述对象，合理的方案应该是利用“光学关节”改变光束的方位去适凑大型系统的光轴。一般而言，光束方位的调节可分解为横移和偏转两大类。关于横移，现有的类似功能器件，一种是由两块可以一维相对滑动的45°全反射棱镜或平面反射镜组成的反射镜偶。由于它本身结构上的原因，显然不适合于上述目的;另一种是斜置于光路中的平行平板玻璃。通过调节它对光轴的倾角，可以连续地改变透射光束的横移量(《光学手册》，陕西科技出版社，1986，p156-)。但是，为了得到足够的光束横移量，需要较厚的高折射率玻璃和较大的倾角。这不可避免地导致较大的光吸收和反射损耗。作为通用器件也不实用。如上所述，至今尚没有能够满意地适合于上述要求的光学器件。
该发明的目的是为了解决含有多个大型独立设备的复杂光路统调的困难，提出一种灵活地横移光束去凑系统固定光轴的方案。给出一类包括紫外、可见和红外的光束横移器件以及其调节的方法。也能解决某些激光应用工程和激光在线检测体系中的类似困难，从而大大提高实验调节的效率与精度。
该发明提出的方案是以定倾角斜置于光路中的空气平行平板作为调节元件，通过改变它的厚度和使它的入射面以入射光线为轴旋转的方法，来实现二维地连续调节光束的横向位置。为此，发明了一类光束横移器，以及光束横移器的调节方法。该器件的光学部份是由一对互逆平行放置的直角棱镜组成，见图1。当动棱镜2沿着定棱镜1的折射光束方向平移时，空气平行平板的厚度连续改变。与定棱镜1完全相同的动棱镜2将光束反向折回同样的角度，于是出射光束4产生沿径向的横移;由棱镜1、2构成的平行平板以入射光束3为轴转动时，出射光束4沿环向横移。两种调节相结合，可以使出射光束4在垂直并以入射光束3为心的一个有限截面圆内任意定位。
在本发明光束横移器中，动棱镜2的滑动机构是一种全新技术。它不含有通常的高精度滑动配合的燕尾槽和机械压紧的消除间隙机构。本器件的滑体是由单轨a和单珠滚动轴承b组成，见图2。固定在滑体上的NdFeB永磁体C，在滑体平面的法线方向上产生对导轨d的非接触的磁场吸引力，代替寻常的弹性力，使滑体和导轨形成消除间隙的滑动配合。这样简单的结构和较低的成本，达到了通常需要很高代价才能获得的滑动配合水平。该技术也可以推广应用到其它的滑动调节场合。
在本发明中，空气平行平板实际上是由棱镜1和棱镜2的一对斜面形成的。该对斜面上镀有专门设计的对斜入射光无偏振效应的宽带消反射膜系。此外，棱镜1和棱镜2的另一对直角面做为器件的输入和输出表面，镀有正入射的宽带消反射膜系。使该器件在可见光范围不仅有很高的透过率，而且不改变光束的偏振状态。
在本发明中，其调节光束横移器的方法是动棱镜2沿着定棱镜1的折射光线方向(而不是沿着入射光线方向)滑动，这是该器件的最佳化设计。这样，可以使动棱镜2的尺寸与定棱镜1的尺寸同样地小，并且可以小到刚好满足通光孔径要求。结果不仅是减小了体积和重量，更重要的是缩短了玻璃内的光程，减小了棱镜材料引起的相位畸变和光吸收。
本发明给出了一类性能上满足统调含有大型设备的复杂光路横移光束要求的通用器件。在统调实施中，该器件与光束偏转器(该实用新型“光束偏转器”已同时申请专利)联用，可使统调程序极大地化简。例如，先将诸个大设备目视地大致对准，即为粗调。而各自的支脚螺栓的调节，主要用于保证自身工作于稳定的最佳状态。其后在适当的位置插入光束横移器，将前级输出光束横移至下一级设备的输入口附近。最后在紧靠近该输入口插入光束偏转器，将光束偏转至通过下一级设备的光轴，见图3。依此类推，如此调节。通常花费4-8小时甚至仍然不能满意的统调程序。若使用了上述器件，可以在10分钟以内迅速完成，使光路稳定地工作在最佳状态，而且不改变光束的偏振性质。然而现有的双反射(棱)镜装置，不仅对于最经常需要的小于10毫米的横移量调节无法实施，更重要的是它们在多数情况下将改变光束的偏振状态。
下面给出本发明的实施例之一，称为GY-A型光束横移器，其结构、原理及使用见图1、2、3;技术规格及精度如下工作波段430-700毫微米;中心波长515毫微米透过率(T)中长波段T≥95%;短波段T≥90%调节范围输出光束在以输入光束为中心的φ50毫米的截面圆内连续可调，任意定位，各点的透过率一样。
调节精度位置分辨率≤0.3毫米通光孔径 D效＝10毫米外型尺寸φ76毫米×L84毫米抗损伤阈连续波300瓦/厘米2，λ515毫微米脉冲108瓦/厘米2，10毫微秒，λ533毫微米重量0.3公斤说明书
图1光束横移器光路原理图1定棱镜2动棱镜3入射光束4出射光束图2光束横移器的滑动机构原理图a单臂滑轨b小单珠滚动轴承c磁铁(NdFeB永磁体)d导轨图3光束横移器的实用图5前级大型设备光轴6次级大型设备光轴7光束横移器8光束偏转器
权利要求
1.一种光束横移器，其特征在于由定棱镜1和动棱镜2这一对互逆平行放置的直角棱镜组成，动棱镜2的滑动机构由单轨a、单珠滚动轴承b以及永磁体c和导轨d构成。
2.按照权利要求1所述的光束横移器，其特征在于由一对直角棱镜的斜面构成等效空气平行平板，并在斜面上镀有对斜入射光无偏振效应的宽带的消反射膜系，在棱镜直角表面上镀有正入射的宽带消反射膜系。
3.按照权利要求1所述的光束横移器，其特征在于一对直角棱镜的尺寸、材料完全相同，尺寸小到与通光孔径相匹配，动棱镜2的滑动机构采用永磁体NdFeB产生的非接触的磁力耦合，消除间隙。
4.一种横移光束的方法，其特征是利用定倾角斜置于光路中的等效空气平行平板为调节元件，改变其厚度或旋转其入射面实现二维连续调节，任意定位方法。
5.按照权利要求4所述的横移光束方法，其特征在于使动棱镜2沿定棱镜1的折射光线方向相对于棱镜1平移，且棱镜1与2同以入射光束3为光轴绕其旋转，使出射光束4在直径为50毫米的对称圆内二维连续可调、任意定位。
全文摘要
光束横移器属于激光新器件。本发明是以定倾角斜置于光路中的等效空气平行平板为调节元件，通过改变其厚度和绕光轴旋转的方法，实现出射光束在50毫米对称圆内二维连续可调、任意定位，保持光束的偏振性质。其位置精度≤0.3毫米，对中长波段透过率T≥95％，抗光损伤阈值＞300瓦/厘米
文档编号G02B26/08GK1031161SQ8710500
公开日1989年2月15日 申请日期1987年7月25日 优先权日1987年7月25日
发明者董振基 申请人:北京大学