一种易于精准调节的扩束器装置

张秀民

摘要：科研和教学实验中广泛使用的扩束器调节装置，常采用调节杆或伸缩杆两种方式来调节扩束透镜的高度，而且只固定搭配了一种焦距的扩束透镜，这种扩束器调节装置的高度调节精准度不高、扩束能力不可调节，这些都给实验带来了诸多不便。针对以上问题，设计了一种高度易于精准调节、扩束能力易于改变的扩束器调节装置，而且调节方便、扩束透镜更换简单。

关键词：扩束器调节装置;精准调节;扩束透镜

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）10-0270-02

Abstract： The beam expander adjustment device widely used in scientific research and teaching experiments，it often uses an adjustment rod or a telescopic rod to adjust the height of the beam expander lens， and only a fixed and matched beam expander lens is used. The height of the  beam adjustment device is not adjusted accuracy， and the beam expansion ability cannot be adjusted，it brings a lot of inconvenience to the experiment. In view of the above problems， a beam expander adjustment device with easy and precise adjustment of height and easy change of beam expansion capability is designed， and the adjustment is convenient and the beam expansion lens is easy to replace.

Key words： beam expander adjustment device; precise adjustment; beam expander

擴束器广泛应用于许多光学实验中，针对光学实验仪器调节困难、测量精准度要求高的特点，设计了一种高度易于精准调节、扩束能力易于改变的扩束器调节装置。使用这种扩束器调节装置可极大降低光学实验仪器的调节难度，充分满足不同实验对扩束的要求，从而有效保障了实验的准确测量。

1 常用扩束器的调节原理及不足

1.1 常用扩束器的结构和调节原理

目前常用的光学扩束器调节装置，其结构通常有两种：一种是带调节杆的扩束器调节装置，另一种是带伸缩杆的扩束器调节装置。

带调节杆的扩束器调节装置，它由底座、固定套管、调节杆、调节杆锁紧螺钉、扩束透镜等组成。固定套管通过底部螺柱旋入底座中心孔内的螺旋上，实现稳固连接;调节杆插入固定套管中，调节杆嵌入固定套管内的长度由人为控制并由调节杆锁紧螺钉将其锁紧在固定套管上;调节杆的上方是一个螺柱，扩束透镜通过其底部孔内的螺旋旋入调节杆上方的螺柱，形成整体连接。这种扩束器调节装置，完全靠手工通过改变调节杆嵌入固定套管内的长度，再通过调节杆锁紧螺钉锁紧调节杆，以实现扩束透镜的高度调节。

带伸缩杆的扩束器调节装置，它由底座、伸缩杆、扩束透镜等组成。底座中心的圆孔内有螺旋，伸缩杆的底部是一个螺柱，将螺柱旋入底座中心的圆孔实现二者的连接;伸缩杆的上方同样是一个螺柱，扩束透镜通过其底部孔内的螺旋旋入伸缩杆上方的螺柱，从而连接为一体。这种扩束器调节装置，是通过抽拉伸缩杆的长度，实现扩束透镜的高度调节。

1.2 两种常用扩束器的不足

光学实验的特点是光路调节要求高、调节难度大，只有满足各种光具组等高、共轴的调节要求，达到近轴光线的成像条件，从而使成像的清晰度高和像差小，才能开始进行实验测量。

无论是带调节杆的扩束器调节装置还是带伸缩杆的扩束器调节装置，使用过程中普遍存在扩束透镜的高度调节不精准，常常需要多次改变调节杆嵌入固定套管内的长度，或不断抽拉伸缩杆的长度，才能达到高度调节要求，调节过程较为麻烦、费时费力;由于调节杆长度和伸缩杆伸缩长度的限制，以上两种常用扩束器调节装置中扩束透镜的高度调节范围偏小，对有些光学实验必须将扩束器放在升降台或其他物块上，辅助增加扩束镜的高度，这样做既增加了光路布置的困难，而且还降低了实验光具组的稳定度;第三个不足之处是：常见的两种扩束器调节装置都固定套配一种扩束透镜，扩束透镜的不可更换带来了扩束能力受限，给有些光学实验带来较大困难;对于带伸缩杆的扩束器调节装置，在进行抽拉伸缩杆时可能将伸缩杆拉开，导致扩束器调节装置的损坏。

2 一种易于精准调节的扩束器的设计

针对现有扩束器的高度调节不精准、扩束镜的高度调节范围小以及扩束透镜不便更换带来的扩束能力受限等问题，设计了易于精准调节的扩束器调  节装置。

2.1 易于精准调节的扩束器器调节装置设计示意图

如图 1，一种易于精准调节的扩束器调节装置，包括螺旋高度调节架、调节管、调节管锁紧螺钉、调节杆、调节杆锁紧螺钉、扩束透镜架和扩束透镜等组成。

2.2 螺旋高度调节架的构造和调节原理

螺旋高度调节架由防滑底座（中心有螺旋孔）、固定粗螺杆（下端有螺柱）、螺旋套管、调节部、调节管锁紧螺钉等组成，如图 2 所示。组装时，将固定粗螺杆下端的螺柱旋入防滑底座中心的螺旋孔内; 螺旋套管通过螺旋旋在固定粗螺杆上;调节部下方是螺旋，用以旋紧在螺旋套管上方的螺旋套内，上方是一个柱形管，柱形管的一侧是调节管锁紧螺钉。当螺旋套在固定粗螺杆上转动时，螺旋套管带动调节部一起向上或向下运动，由于螺旋沿螺柱转动，因此调节部运动距离连续可调，易于实现精准调节。

2.3 扩束透镜高度可精准调节的设计

组装易于精准调节的扩束器器调节装置时，先将螺旋高度调节架的固定粗螺杆下端的螺柱旋入防底座中心的螺旋孔内并旋紧;然后将调节管嵌入螺旋高度调节架调节部上方的柱形管中，嵌入长度根据需要调整，并通过柱形管一侧的调节管锁紧螺钉锁紧调节管;将调节杆不带螺柱的一端插入调节管中，嵌入长度根据仪器光电而定，并通过调节杆锁紧螺钉固定住;将扩束透镜架下方的螺旋孔旋在调节杆的螺柱上，最后将扩束透镜嵌入扩束透镜架的两圓弧型弹性钢片之间。

光学实验中光具组的等高、共轴的精准调节至关重要的，本设计的精准调节扩束器调节装置，通过   以下两方面的调节实现扩束镜高度的精准调节：一是根据光学实验中其他光学仪器的高度，选择性的使用调节管、调节管嵌入调节部中的长度和调节杆嵌入调节管中的长度来大致决定扩束透镜的高度;二是通过螺旋高度调节架的螺旋实现精准调节，在扩束透镜大致与其他光学仪器等高时，由于螺旋套管的调节螺旋的调节范围为 0-12mm，通过转动螺旋套管，可实现精准调节，且操作简单，彻底改变了传统扩束器需要反复多次改变调节杆嵌入套管内的长度或反复抽拉伸缩杆的长度所带来的调节困难。

2.4 扩大扩束透镜高度调节范围的设计

不难看出，本设计的精准调节扩束器调节装置的总体高度，由螺旋高度调节架的高度 48～60 毫米连续可调、调节管的高度是 160mm 毫米、调节杆的高度是 200 毫米、扩束透镜架及扩束透镜中心的高度约 30mm 等四个部分构成，通过选择性地使用调节管，本设计的精准调节扩束器调节装置中扩束透镜高度的调节范围 438～450mm（使用调节管）、278～290mm（不使用调节管）。

2.5 方便更换多种扩束透镜的设计

现有的扩束器调节装置中的扩束透镜，多是通过其下方的带孔的螺旋旋入调节杆或伸缩杆上螺柱来实现连接的，为改变扩束镜的扩束本领，在需要更换扩束透镜时，对于底部不带螺旋孔或螺旋孔大小与螺柱大小不匹配时，将无法连接到调节杆或伸缩杆的螺柱上，因此限制了扩束透镜的更换，使扩束能力不能改变。对于本设计的精准调节扩束器调节装置，扩束透镜是通过嵌入扩束透镜架的两个圆弧形弹性钢片之间来实现连接的，因此在需要更换扩束透镜时，只需将需要的扩束透镜嵌入到扩束透镜架的两个圆弧形弹性钢片之间即可，更换十分简单，极大满足了不同扩束能力的需要。

3 一种易于精准调节的扩束器使用

首先根据实验需要选择合适的扩束透镜，将其安装在扩束透镜支架上;根据实验中其他光学仪器的高度，判断是否使用调节管;调整调节管嵌入调节部的长度、改变调节杆嵌入调节管内的长度，使扩束透镜中心大致与其他光学仪器等高;开启光源，转动螺旋高度调节架的螺旋套管，使光束准确地照在扩束透镜的中心。

4 结语

本设计的易于精准调节的扩束器调节装置，通过使用调节管、调节杆，尤其使用了螺旋高度调节架，通过三者的配合调节，不仅扩大了扩束透镜高度的调节范围，而且实现了扩束透镜高度的精准调节，该装置使用简单、操作便利，较好地满足了光学实验的需要，可有效取代现有光学扩束器。

参考文献：

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[2] 钟锡华.现代光学基础[M].北京：北京大学出版社，2010.

[3] 周海宪，程云芳.光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

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【通联编辑：李雅琪】