于萍

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

激光具有單色性好、方向性強和準直性強等優(yōu)點，已在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中廣泛應(yīng)用［1-5］。激光器發(fā)出的激光束直徑通常只有零點幾到幾毫米，已在某些領(lǐng)域顯示出激光光束的突出優(yōu)勢，然而在激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等領(lǐng)域中需要有較寬光束，同時激光有發(fā)散角，激光擴束器的作用就是把窄細的激光光束擴束變成寬闊的準直光束，同時使激光束的發(fā)散角降低，在較遠距離時激光光斑達到需要的尺寸。激光束發(fā)散角越小表示激光束準直性越高，激光通過擴束器后單位面積的激光能量越高［6-8］。對于一個擴束倍率為M倍的擴束器，經(jīng)過該擴束器擴束后的激光束的發(fā)散角與擴束前相比，發(fā)散角縮小了M倍；同時擴束后的激光束光斑直徑比擴束前擴大了 M 倍。擴束倍率M越大，擴束后的激光發(fā)散角越小，準直性越高。

激光擴束器由兩組物鏡組成，前面小物鏡的后焦點與后面大物鏡前焦點重合，與倒置使用的望遠鏡系統(tǒng)相同。通常的激光擴束器大物鏡和小物鏡的間距是固定的，在環(huán)境溫度變化時，尤其高擴束倍率的擴束器，結(jié)構(gòu)尺寸較大，由于擴束器中各零件的材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，使擴束器中的各零件發(fā)生的熱脹冷縮變形量不同，導致擴束器中各透鏡面型發(fā)生變化，從而破壞了擴束器的性能，通過的激光光束的準直性被破壞，使輸出的激光束成為匯聚光束或者發(fā)散光束。為了解決這個問題，在小物鏡上設(shè)計一套直線調(diào)整機構(gòu)，使大、小物鏡間距變得可調(diào)，保證在不同環(huán)境溫度條件下通過擴束器的激光光束的準直性。所以為保證激光束在環(huán)境溫度變化時通過高擴束倍率擴束器后的準直性不被破壞，研制一種高倍率激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)是非常必要的。

1 激光擴束器的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，激光擴束器由兩塊物鏡組成，小物鏡的后焦點與大物鏡的前焦點重合。激光器發(fā)出的細光束被小物鏡聚焦，而后再被大物鏡擴束并準直，形成發(fā)散角較小的寬光束，在激光束直徑變大的同時使激光束發(fā)散角實現(xiàn)壓縮。

圖1 激光擴束器工作原理示意圖Fig.1 Working principle of laser expander

2 激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

2.1 激光擴束器的設(shè)計參數(shù)

擴束倍數(shù)：16倍；

小物鏡與大物鏡的同軸度不大于0.02mm；

溫度變化范圍-20℃～30℃時，小物鏡與大物鏡間距變化±2mm。

2.2 調(diào)整機構(gòu)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)上述激光擴束器的設(shè)計參數(shù)，分配到激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)如下：

調(diào)整機構(gòu)行程±3mm；

調(diào)整分辨率不大于0.01mm；

2.3 調(diào)整機構(gòu)組成及工作原理

2.3.1 組成

如圖2所示，調(diào)整機構(gòu)由主軸、軸套、鋼球、驅(qū)動螺母、壓圈、擋板、固定板、導向銷釘組成。

2.3.2 工作原理

圖2中，主軸、軸套、鋼球組成軸系，小物鏡通過壓圈與主軸固連，使小物鏡隨主軸同步移動；在主軸上設(shè)計直線導向槽，在固定板上安裝導向銷釘，與主軸的導向槽配合，使主軸只作相對于軸套的直線移動，不能轉(zhuǎn)動；主軸左端加工有螺紋，與驅(qū)動螺母嚙合，擋板固定在與軸套固連的固定板上，通過擋板限制驅(qū)動螺母只能相對軸套轉(zhuǎn)動，不能軸向移動；用手轉(zhuǎn)動驅(qū)動螺母，由導向銷釘限制主軸只能相對軸套作直線移動，軸套與擴束鏡筒固連，大物鏡與擴束鏡筒固連在一起，這樣，轉(zhuǎn)動驅(qū)動螺母就可以帶動小物鏡與大物鏡之間實現(xiàn)軸向位置的變化，從而實現(xiàn)在環(huán)境溫度變化使激光擴束器的準直性發(fā)生變化時，調(diào)整小物鏡與大物鏡之間的軸向間隔，保證通過激光擴束器的激光束的準直性。

圖2 激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)示意圖Fig.2 Alignment adjustment mechanism of laser expander

2.4 直線軸系設(shè)計

主軸、軸套、鋼球組成的直線軸系中，鋼球選用零級鋼球，材料采用 GCr15；主軸材料選用40Cr，滾道面淬火處理，主軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示，其上除了設(shè)計有滾道面之外，還設(shè)計了一個直線導槽，導槽銷釘在其中移動，限制主軸轉(zhuǎn)動，主軸上還設(shè)計了與驅(qū)動螺母相嚙合的螺紋結(jié)構(gòu)；軸套結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(b)所示，材料選用40Cr，滾道面淬火處理。

圖3 主軸和軸套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of shaft and outer sleeve

為了保證軸系的移動精度，主軸、軸套與鋼球間采用過盈配合，過盈量0～0.002mm。

2.5 固定板、擋板及驅(qū)動螺母設(shè)計

固定板結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，有三個作用。第一，通過四個均布的孔A用螺釘與軸套固定；第二，圖5(a)所示的驅(qū)動螺母與主軸通過螺紋嚙合，在固定板 C的螺孔處固定圖5(b)所示的擋板，使驅(qū)動螺母與軸套間只能轉(zhuǎn)動不能沿軸向移動；第三，在主軸帶動小物鏡移動到合適位置時，固定板上的 B處孔通過螺釘將主軸夾緊，使主軸與軸套位置固定。

圖4 固定板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of fixed element

驅(qū)動螺母的螺距選用0.5mm，旋轉(zhuǎn)1°主軸帶動小物鏡移動0.0014mm，調(diào)整的分辨率可以滿足大、小物鏡間距調(diào)整分辨率不大于0.01mm的要求。

圖5 驅(qū)動螺母和擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of driving nut and retaining element

3 精度檢測及結(jié)果分析

3.1 軸系精度檢測方法及檢測結(jié)果

將圖2中的軸系固定在一固定的平臺上，電感儀的探頭也固定在同一個平臺上，使軸系的主軸一端可以安裝電感儀探頭，用兩個電感儀在主軸的互成90°的位置測量，如圖6所示，測量結(jié)果如表1所示。

圖6 精度檢測示意圖Fig.6 Precision measurement sketch

表1 軸系精度檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Results of axial precision measurement

3.2 檢測結(jié)果分析

由圖6所示的精度檢測方法可知，檢測面的圓柱度誤差、電感儀的測量精度都影響檢測結(jié)果。該結(jié)構(gòu)的主軸測量面圓柱度誤差實測為0.6m，電感儀的測量精度為0.1m，這兩者的均方根值為0.61m，這相對于同軸精度不大于0.01mm是很小的，說明檢測面的精度、檢測工具的精度滿足檢測的需要，上述精度檢測結(jié)果可信，滿足指標要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種高倍率激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計方法，其主要依靠一種精密直線運動軸系來實現(xiàn)激光擴束器大、小物鏡軸向間距的精確調(diào)整。從對直線軸系同軸精度的檢測結(jié)果來看，軸系行成6mm時的同軸精度為0.0022mm，完全達到了本設(shè)計中的16倍激光擴束器大物鏡與小物鏡的同軸度不大于0.02mm的指標要求。結(jié)合該激光擴束器參加外場試驗的結(jié)果，進一步驗證了在環(huán)境溫度變化時激光擴束器準直性調(diào)整機構(gòu)的可行性，表明帶有大、小物鏡軸向間距調(diào)整機構(gòu)的激光擴束器可以精確調(diào)整兩透鏡間距，使環(huán)境溫度變化等因素引起的兩透鏡面形變化不至于造成擴束器準直性的改變，通過該設(shè)計方案設(shè)計的激光擴束器的準直性可以實現(xiàn)隨時調(diào)整，確保準直性滿足使用要求。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案簡單，精度高，可以在各種倍率的激光擴束器中使用，有希望在工程實踐中得到推廣應(yīng)用。

［1］劉萬里，曲興華，歐陽健飛，等.激光跟蹤測量系統(tǒng)角度自動校正裝置設(shè)計［J］.光學精密工程，2008，16（9）：1695-1700.

［2］閆勇剛，歐陽健飛，夏飛.激光制導測量機器人及幾何誤差分析［J］.光學精密工程，2008，16（5）：907-911.

［3］史亞莉，高云國，張磊，等.提高CCD激光自準直測角精度的硬件方法［J］.光學精密工程，2008，16（4）：726-732.

［4］程義濤，楊進華.相位激光測距發(fā)射系統(tǒng)實驗研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2010，33（3）：29-31.

［5］陳彥超，趙柏秦，李偉.用于納秒級窄脈沖工作的大功率半導體激光器模塊［J］.光學精密工程，2009，17（4）：695-700.

［6］徐記偉，時家明.激光光斑尺寸對煙幕干擾效果影響的研究［J］.紅外與激光工程，2007，36（6）：838-841.

［7］劉雷，馬宏.準分子激光均束系統(tǒng)的研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2009，32（2）：224-226.

［6］武旭華，陳磊，肖韶榮.干涉儀準直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測［J］.紅外與激光工程，2008，37（1）：106-110.