光学元件整体装调技术研究

2022-02-16熊明

科技视界 2022年1期

熊明

（核工业理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

激光器内部包含大量镜片、晶体等光学元件，这些元件的装调设计直接影响激光器的功能和稳定性。目前通常采用机械弹簧式的光学镜架来实现这些元件的调整和固定（见图1），这种装调方式的优点是比较简单，所需的调整工具较少。但是这种装调方式同样存在几点不足之处：

（1）机械弹簧式的镜架占用光腔内部空间较多，不利于在有限的空间内摆放更多的光学元件，甚至有时会影响腔内光路设计；

（2）长时间工作条件下，机械弹簧式的镜架稳定性不高，经常需要来回调整以解决输出激光波长跑偏的现象；

（3）该装配方式全程由人手动操作，既占用人力，又无法保证每次装调精度的一致性。

出于改进上述问题的考虑，本文提出一种新的装调方法——光学元件整体装调技术，即通过外部多维调整架将光学元件按设计位置和角度调整好并采取相应的元件固定方法使元件装配定型，在这个过程中调整精度由多维调整架决定，稳定性则由元件固定方法保障。相比传统机械弹簧式的装调技术，光学元件整体装调技术在装配高元件密度型激光器方面有显著优势，并且其技术流程适合自动化控制设计，在节约人力的同时可以有效提高装调效率，有利于激光器的大规模生产，是未来激光器装配领域的重要发展趋势。

1 研究现状

为了优化激光器性能和节约昂贵的人力资源，整体装调技术率先在一些工业发达国家（如德国、瑞士等）提出来，而目前国内关于这方面的研究尚且不多。从整体装调这一概念提出以来，国外关于整体装调技术的研发已经取得了很大的进展，例如，图1是瑞士的Laurent Stauffer等人（Leica Geosystems AG）自主研发的整体装调装置SIXTIFF，该装置能够实现平面内X、Y方向的手动平移调节，而通过三个Z轴方向的轴承支点调节能够实现俯仰和旋转等姿态的调节。图2是用该装置搭建的激光器光腔，以图中1欧分硬币（直径约16.25 mm）作为参照，可以看出该光腔的光学元件密度很高，且腔内整体构造十分精密，这是机械弹簧式光学镜架难以实现的。因此，为了提高国内激光器的装配效率和技术水平，开展光学元件整体装调技术的研究具有重要意义。

图1 整体装调装置SIXTIFF

2 关键技术方案

在光学元件整体装调技术中，利用外部多维调整架将元件的位置和角度调整好后，接下来需要将其安装固定，这也是整体装调技术的关键环节。通过调研发现国外关于元件固定方法的研究也有不少，常用的有胶水黏接和焊锡焊接等固定方法。由于上述元件固定方法均为一次装配定型，因此必须要考虑所用配件材料随时间和环境温度变化的稳定性，应当尽量选取强度大、热稳定性好的材料，表1是本文调研的一些可选材料的热膨胀系数的数据。

图2 采用SIXTIFF装置装配的光腔

表1 可选材料的热膨胀系数

由表1可见，金属类材料中殷钢的热膨胀系数较低，而非金属类材料中石英的热膨胀系数较低，这两种材料可作为光学元件整体装调技术中配件的选用材料。考虑到不同技术的特点和材料之间的黏合，胶水粘接固定方法可以选择石英材料，而焊锡焊接可以选择殷钢材料。需要注意的是，为了实现光学元件与殷钢材料的焊接，需要在殷钢表面作镀金工艺处理，这种处理也有利于防止殷钢腐蚀生锈，延长材料使用寿命。

图3为采用胶水粘接方法装配的单个元件样品，元件通过胶水直接粘接在石英底座上。图4为采用焊锡焊接方法装配的单个元件样品，元件安装在殷钢材料的特制镜框内，通过焊锡将镜框直接焊接在殷钢底座上，殷钢材料表面均做了镀金处理。通过上述技术方案成功实现了光学元件的一次装配定型。