光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)研究

熊 明

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

激光器內(nèi)部包含大量鏡片、晶體等光學(xué)元件，這些元件的裝調(diào)設(shè)計直接影響激光器的功能和穩(wěn)定性。目前通常采用機械彈簧式的光學(xué)鏡架來實現(xiàn)這些元件的調(diào)整和固定（見圖1），這種裝調(diào)方式的優(yōu)點是比較簡單，所需的調(diào)整工具較少。但是這種裝調(diào)方式同樣存在幾點不足之處：

（1）機械彈簧式的鏡架占用光腔內(nèi)部空間較多，不利于在有限的空間內(nèi)擺放更多的光學(xué)元件，甚至有時會影響腔內(nèi)光路設(shè)計；

（2）長時間工作條件下，機械彈簧式的鏡架穩(wěn)定性不高，經(jīng)常需要來回調(diào)整以解決輸出激光波長跑偏的現(xiàn)象；

（3）該裝配方式全程由人手動操作，既占用人力，又無法保證每次裝調(diào)精度的一致性。

出于改進上述問題的考慮，本文提出一種新的裝調(diào)方法——光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)，即通過外部多維調(diào)整架將光學(xué)元件按設(shè)計位置和角度調(diào)整好并采取相應(yīng)的元件固定方法使元件裝配定型，在這個過程中調(diào)整精度由多維調(diào)整架決定，穩(wěn)定性則由元件固定方法保障。相比傳統(tǒng)機械彈簧式的裝調(diào)技術(shù)，光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)在裝配高元件密度型激光器方面有顯著優(yōu)勢，并且其技術(shù)流程適合自動化控制設(shè)計，在節(jié)約人力的同時可以有效提高裝調(diào)效率，有利于激光器的大規(guī)模生產(chǎn)，是未來激光器裝配領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。

1 研究現(xiàn)狀

為了優(yōu)化激光器性能和節(jié)約昂貴的人力資源，整體裝調(diào)技術(shù)率先在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家（如德國、瑞士等）提出來，而目前國內(nèi)關(guān)于這方面的研究尚且不多。從整體裝調(diào)這一概念提出以來，國外關(guān)于整體裝調(diào)技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)取得了很大的進展，例如，圖1是瑞士的Laurent Stauffer等人（Leica Geosystems AG）自主研發(fā)的整體裝調(diào)裝置SIXTIFF，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平面內(nèi)X、Y方向的手動平移調(diào)節(jié)，而通過三個Z軸方向的軸承支點調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰和旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)的調(diào)節(jié)。圖2是用該裝置搭建的激光器光腔，以圖中1歐分硬幣（直徑約16.25 mm）作為參照，可以看出該光腔的光學(xué)元件密度很高，且腔內(nèi)整體構(gòu)造十分精密，這是機械彈簧式光學(xué)鏡架難以實現(xiàn)的。因此，為了提高國內(nèi)激光器的裝配效率和技術(shù)水平，開展光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)的研究具有重要意義。

圖1 整體裝調(diào)裝置SIXTIFF

2 關(guān)鍵技術(shù)方案

在光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)中，利用外部多維調(diào)整架將元件的位置和角度調(diào)整好后，接下來需要將其安裝固定，這也是整體裝調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)國外關(guān)于元件固定方法的研究也有不少，常用的有膠水黏接和焊錫焊接等固定方法。由于上述元件固定方法均為一次裝配定型，因此必須要考慮所用配件材料隨時間和環(huán)境溫度變化的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)盡量選取強度大、熱穩(wěn)定性好的材料，表1是本文調(diào)研的一些可選材料的熱膨脹系數(shù)的數(shù)據(jù)。

圖2 采用SIXTIFF裝置裝配的光腔

表1 可選材料的熱膨脹系數(shù)

由表1可見，金屬類材料中殷鋼的熱膨脹系數(shù)較低，而非金屬類材料中石英的熱膨脹系數(shù)較低，這兩種材料可作為光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)中配件的選用材料。考慮到不同技術(shù)的特點和材料之間的黏合，膠水粘接固定方法可以選擇石英材料，而焊錫焊接可以選擇殷鋼材料。需要注意的是，為了實現(xiàn)光學(xué)元件與殷鋼材料的焊接，需要在殷鋼表面作鍍金工藝處理，這種處理也有利于防止殷鋼腐蝕生銹，延長材料使用壽命。

圖3為采用膠水粘接方法裝配的單個元件樣品，元件通過膠水直接粘接在石英底座上。圖4為采用焊錫焊接方法裝配的單個元件樣品，元件安裝在殷鋼材料的特制鏡框內(nèi)，通過焊錫將鏡框直接焊接在殷鋼底座上，殷鋼材料表面均做了鍍金處理。通過上述技術(shù)方案成功實現(xiàn)了光學(xué)元件的一次裝配定型。

3 結(jié)論

本文提出一種新的光學(xué)元件裝調(diào)方法——光學(xué)元件整體裝調(diào)技術(shù)，通過研究完成了其關(guān)鍵技術(shù)方案的設(shè)計，確定了采用膠水粘接及焊錫焊接的安裝固定方法，并采用上述方法成功實現(xiàn)單個元件的安裝固定。通過該項研究結(jié)果，可以為國內(nèi)激光器裝調(diào)技術(shù)領(lǐng)域提供一種新的思路。

圖3 膠水粘接方法裝配的元件樣品

圖4 焊錫焊接方法裝配的元件樣品