Устройство для юстировки оптических элементов
Владельцы патента RU 2336545:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к области оптико-механического приборостроения и может быть использовано для прецизионной юстировки зеркал оптических резонаторов оптических квантовых генераторов. Изобретение направлено на создание надежного юстировочного устройства, обеспечивающего прецизионную юстировку зеркал оптических резонаторов с повышенной точностью и чувствительностью, а также на уменьшение юстировочного устройства. Этот технический результат обеспечивается за счет того, что устройство для юстировки оптических элементов содержит основание, корпус, регулировочные винты поступательного перемещения и регулировочные винты углового перемещения оптического элемента. При этом оптический элемент размещен в оправке, которая установлена в корпусе через соосное ей кольцо на радиальных взаимно перпендикулярных опорах, промежуточный элемент выполнен в виде направляющих пластин, установленных по периметру основания, соприкасающиеся торцевые поверхности которых имеют профиль «ласточкиного хвоста», в которых расположены винты поступательного перемещения оптического элемента, при этом регулировочные винты углового перемещения установлены в оправке, в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, торцом упирающихся на поверхность кольца. 3 ил.
Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано для прецизионной юстировки зеркал оптических резонаторов оптических квантовых генераторов (ОКГ).
Известен аналог «Юстировочное устройство». А.С. SU 337747, МПК G02B 7/18, 14.07.69 г., Бюл. № 5, 05.06.72 г. Юстировочное устройство-аналог для зеркал квантовых генераторов, содержит рычажно-винтовой механизм с винтами грубой и тонкой регулировки положения подпружиненного основания относительно неподвижного корпуса. С целью повышения чувствительности юстировки основание шарнирно связано по крайней мере с одним дополнительным рычагом с резьбовыми отверстиями для винтов грубой и тонкой регулировки, установленных с возможностью проскальзывания их сферических торцев соответственно по опорным поверхностям корпуса и основания. К недостатку можно отнести сложность конструкции.
Наиболее близким является «Устройство для юстировки оптических элементов». A.C. SU 1138780, МПК G02B 7/18, 21.04.83, Бюл. № 5, 07.02.85 г. Устройство-прототип содержит основание для закрепления на нем оптического элемента, неподвижный корпус, промежуточный элемент, регулировочные винты поступательного перемещения и регулировочные винты углового перемещения. С целью уменьшения габаритов устройства, промежуточный элемент выполнен в виде крестовины, где попарно установлены регулировочные винты. Конструкция проста в изготовлении и малогабаритна. Недостатками известного устройства является его неудобное расположение, т.е. находится за юстируемым зеркалом и имеет ограниченный диапазон перемещений, что сужает область применения.
Задачей изобретения является создание надежного устройства, обеспечивающего прецизионную юстировку зеркал оптических резонаторов ОКГ с повышенной точностью юстировки оптических элементов, уменьшение габаритов устройства.
Техническим результатом заявленного устройства является надежная простая конструкция юстировочной оправы, обеспечивающая повышенную точность и чувствительность юстировки зеркал резонатора ОКГ. При этом:
1) диапазон угловой юстировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях +5 градусов;
2) чувствительность юстировки - 10 секунд;
3) прямолинейное перемещение в вертикальном направлении +10 мм;
точность перемещения - 1 мкм;
4) прямолинейное перемещение в горизонтальном направлении +15 мм;
точность перемещения - 1 мкм.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для юстировки оптических элементов, содержащем основание для закрепления на нем оптического элемента, заключенного в оправку, промежуточный элемент, регулировочные винты поступательного перемещения и регулировочные винты углового перемещения оптического элемента, промежуточный элемент выполнен в виде направляющих пластин, установленных по периметру основания, соприкасающиеся торцевые поверхности которых имеют профиль «ласточкиного хвоста», обеспечивающего перемещение оптического элемента во взаимно перпендикулярных направлениях посредством двух регулировочных винтов возвратно-поступательного перемещения, расположенных в местах, диаметрально противоположным опорам, подпружиненным по отношению к кольцу, который соосно установлен относительно оправки и основания и кинематически связан с ними посредством имеющихся радиальных опор. Радиальные опоры расположены попарно во взаимно-перпендикулярных направлениях по внутренней и наружной поверхностям кольца, образуя при этом промежуточную кольцевую подвеску.
Расположение регулировочно-юстировочных механизмов и направляющих перемещения непосредственно на фланце основания позволяет уменьшить габариты юстировочного устройства.
Объединение в одной конструкции юстировочной оправы указанных подвижек делает возможным совмещение юстировки во взаимно-перпендикулярных направлениях как прямолинейных, так и угловых перемещений юстируемой оптики, при этом, обеспечивая надежную с повышенной точностью и чувствительностью фокусировку и настройку оптических зеркал оптических резонаторов ОКГ.
Наличие в конструкции промежуточных элементов в виде направляющих с профилем «ласточкиного хвоста» обеспечивает продвижение с минимальным трением скольжения вдоль контактирующих поверхностей, дополнительно перемещая в вертикальном и горизонтальном направлениях в полном диапазоне микрометрического хода с шагом h=1 мм, плавно осуществляя прецизионную юстировку оптических зеркал установки резонатора.
Точность регулировки диапазона угловой юстировки во взаимно-перпендикулярных направлениях осуществляется двумя регулировочно-юстировочными винтами с подпружиненными опорами, что выполнено конструктивно просто, удобно и надежно.
На фиг.1-3 показана предлагаемая конструкция устройства для юстировки оптических элементов в виде оправы юстировочной и элементов подвижек, расположенных на внешней стороне оправы:
1 - Основание-рама.
2 - Корпус.
3 - Оправка.
4 - Кольцо.
5 - Направляющая пластина.
6 - Направляющая пластина.
7 - Регулировочный винт прямолинейного перемещения.
8 - Подпружиненная опора.
9 - Регулировочный винт углового поворота.
10 - Опора радиальная.
11 - Оптический элемент.
12 - Фиксатор.
13 - Стержень.
14 - Прокладка кольцевая.
15 - Крышка.
16 - Цанговый зажим.
Блок резонатора состоит из двух плоских параллельных зеркал, находящихся на определенном расстоянии одно от другого. Устройство для юстировки оптических элементов резонатора базируется на оптической скамье, обеспечивая прочность и устойчивость от воздействия внешних факторов при эксплуатации. Устройство для юстировки оптических элементов поз.11 содержит жесткое основание, выполненное в виде рамы поз.1 из конструкционной стали 45 для монтажа на нем корпуса поз.2 с оправкой поз.3, в которую входит соосно кольцо поз.4. В оправку поз.3 на упругую кольцевую прокладку поз.14 устанавливается юстируемый оптический элемент поз.11 и поджимается крышкой поз.15. Оправка поз.3 с оптическим элементом устанавливается в корпусе поз.2 через кольцо поз.4 на радиальных взаимно-перпендикулярных опорах поз.10, при этом каждая пара радиальных опор расположена во взаимно-перпендикулярных направлениях по внутренней и наружной поверхностям кольца поз.4 соответственно, образуя при этом промежуточную кольцевую подвеску, жестко замкнутую на корпус основания поз.2.
Промежуточный элемент выполнен в виде направляющих пластин поз.5, 6, расположенных по периметру основания-рамы поз.1, торцевые поверхности имеют форму соединения «ласточкин хвост», соприкасающиеся плоскостями между собой и выполняющие их относительное движение вдоль взаимно-перпендикулярных направлений с минимальным трением скольжения. В направляющих поз.5, 6 и в основании-раме поз.1 попарно установлены регулировочно-юстировочные винты поз.7 возвратно-поступательного прямолинейного перемещения оптического элемента поз 11. Ограничивающие движение направляющие поз.5, 6 закреплены на раме поз.1, заданное положение оптического элемента поз.11 в корпусе поз.2 стопорится фиксаторами поз.12.
Регулировочно-юстировочные винты углового поворота поз.9 расположенны в местах, диаметрально противоположным подпружиненным опорам поз.8. Юстировку углового положения оптического элемента поз.11 по двум взаимно перпендикулярным направлениям в пределах диапазона угловой юстировки производят путем попеременного вращения регулировочных винтов поз.9, расположенных в зонах, диаметрально противоположных подпружиненных опор поз.8, торцем упирающиеся на поверхность кольца поз.4 оправки поз.3. добиваясь заданного направления оси оптического элемента поз.11, при этом поворот оправки поз.3 происходит вокруг радиальных опор поз.10. Выставленное положение оптического элемента стопорится фиксаторами поз.12, обеспечивая жесткое соединение. При этом чувствительность угловой юстировки составляет ˜10 секунд. Все резьбовые соединения предохраняются от самоотвинчивания и проворачивания. Достигается это использованием стопорных деталей поз.12, и цанговым зажимом поз.16, что позволяет работать юстировочной системе стабильно, предохраняя от разъюстировки оптической системы.
Поджатия опор поз.8 с помощью пружин дополнительно используется для устранения «мертвого хода» и получения в резьбовых соединениях дополнительных сил трения во избежание перекосов в направляющих при их перемещении относительно друг друга. Малые линейные перемещения достигаются применением резьбы в регулировочных винтах поз.9 треугольного профиля с мелким шагом h=0,5 мм, необходимые для точной юстировки оптического элемента и фокусировки лазерного излучения в резонаторе.
Устройство работает следующим образом.
В оправку поз.3 на упругое кольцо поз.14 устанавливается юстируемый оптический элемент поз.11 и поджимается крышкой поз.15. Оправка поз.3 с оптическим зеркалом поз.11 посредством радиальных опор поз.10 крепится к корпусу поз.2 и соединена с основанием-рамой поз.1. Управление угловыми поворотами оптического элемента осуществляется вручную, путем плавного вращения регулировочно-юстировочных винтов поз.9 по двум взаимно перпендикулярным направлениям, совершая винтовое регулировочное движение, разворачивает в заданном угловом направлении оправку поз.3 вокруг опор поз.10, относительно основания-рамы поз.1 до определенного положения. Выставленное положение стопорится фиксаторами поз.12 до упора в поверхность корпуса оправки поз.3. Вращение регулировочных винтов поз.9 осуществляется вручную, плавно, без резкого возрастания усилия, люфтов и заклинивания на контактирующих поверхностях. Точность регулировки углового поворота осуществляется в пределах микрометрического хода регулировочных винтов с шагом h=0,5 мм и составляет ˜10 секунд. Регулировка усилия вращения винтов поз.9, достаточного для разворота оптики, осуществляется подпружиненными опорами поз.8 с одновременной выборкой зазора в местах контактирующих поверхностей.
Промежуточный элемент, выполненный в виде жестких направляющих пластин поз.5, 6, расположенных по периметру основания-рамы поз.1, и торцевые поверхности, имеющие форму соединения «ласточкин хвост», соприкасаются плоскостями между собой и выполняют относительное движение вдоль взаимно-перпендикулярных направлений во фронтальной плоскости в пределах заданного диапазона подвижек.
Регулировка положения оптического элемента осуществляется требуемым движением оправки поз.3 вдоль взаимно-перпендикулярных направлений посредством вращения юстировочных винтов поз.7. Регулировка усилия вращения осуществляется вручную винтами поз.7, без люфтов и заеданий контактирующих поверхностей. Отсутствие заклинивания на смазанных поверхностях направляющих движения поз.5, 6 и выбор материалов для их изготовления с одинаковым коэффициентом линейного расширения для конструкционной стали 45 делают юстировочное устройство износостойким, а возможность поджатия направляющих относительно друг друга и выборка зазора фиксаторами поз.12 - стабильность и устойчивость в отъюстированном положении.
Данное юстировочное устройство оптического блока резонатора для юстировки оптических зеркал конструктивно обеспечивает повышение точности и чувствительности настройки зеркал. Конструкция проста в управлении и безопасна в работе. Все резьбовые соединения устройства предохраняются от самоотвинчивания и проворачивания, что позволяет работать юстировочной системе стабильно при динамических нагрузках. Поджатия опор поз.8 с помощью пружин используется для устранения «мертвого хода» и получения в резьбовых соединениях дополнительных сил трения во избежание перекосов и заклинивания. Одновременно позволяет устранить влияние температурных перепадов атмосферы на стержневую раму блока резонатора, используя материал сплав-ковар с коэффициентом линейного расширения к=1,6.10-6 1/°C при Т=+70°С, что в 6,8 раза меньше, чем у конструкционной стали к=11.10-6 1/°C при Т=+70°С, для изготовления стягивающих стержней поз.13, обеспечивая стабильность длины блока резонатора в пределах 0,015 мм и поддержку температурного перепада не более 2°С. Конструктивно обеспечена стабильность длины резонатора, которая существенно влияет на хорошее качество проходящего пучка лазерного излучения в резонансной системе.
Объединение в одной конструкции юстировочной оправы указанных подвижек делает возможным компактное совмещение юстировок, обеспечивая прецизионную ориентировку во взаимно-перпендикулярных направлениях, как прямолинейных, так и угловых перемещений юстируемой оптики, при этом, обеспечивая надежную с повышенной точностью и чувствительностью фокусировку и настройку оптических зеркал оптических резонаторов ОКГ.
Такая конструкции юстировочного устройства позволяет скомпенсировать и сглаживать все оптико-механические и конструктивные погрешности, погрешности обработки и сборки. Конструкция надежна, исключает разъюстировку оптической системы, износостойка и ремонтоспособна при эксплуатации.
Конструкция обеспечивает сравнительно небольшие габариты за счет внешнего расположения регулировочных механизмов и возможность регулировки в труднодоступных местах, удобна в работе.
Предлагаемое устройство для юстировки промышленно применимо. В настоящее время уже изготовлен опытный образец, выдержал испытания в соответствии с установленными требованиями.
Устройство для юстировки оптических элементов, содержащее основание, корпус, регулировочные винты поступательного перемещения и регулировочные винты углового перемещения оптического элемента, отличающееся тем, что оптический элемент размещен в оправке, которая установлена в корпусе через соосное ей кольцо на радиальных взаимно перпендикулярных опорах, промежуточный элемент выполнен в виде направляющих пластин, установленных по периметру основания, соприкасающиеся торцевые поверхности которых имеют профиль «ласточкиного хвоста», в которых расположены винты поступательного перемещения оптического элемента, при этом регулировочные винты углового перемещения установлены в оправке, в зонах, диаметрально противоположных имеющимся подпружиненным опорам, торцом упирающихся на поверхность кольца.
