光學元件整體裝調技術研究

熊 明

（核工業理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

激光器內部包含大量鏡片、晶體等光學元件，這些元件的裝調設計直接影響激光器的功能和穩定性。目前通常采用機械彈簧式的光學鏡架來實現這些元件的調整和固定（見圖1），這種裝調方式的優點是比較簡單，所需的調整工具較少。但是這種裝調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部空間較多，不利于在有限的空間內擺放更多的光學元件，甚至有時會影響腔內光路設計；

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

（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方法——光學元件整體裝調技術，即通過外部多維調整架將光學元件按設計位置和角度調整好并采取相應的元件固定方法使元件裝配定型，在這個過程中調整精度由多維調整架決定，穩定性則由元件固定方法保障。相比傳統機械彈簧式的裝調技術，光學元件整體裝調技術在裝配高元件密度型激光器方面有顯著優勢，并且其技術流程適合自動化控制設計，在節約人力的同時可以有效提高裝調效率，有利于激光器的大規模生產，是未來激光器裝配領域的重要發展趨勢。

1 研究現狀

為了優化激光器性能和節約昂貴的人力資源，整體裝調技術率先在一些工業發達國家（如德國、瑞士等）提出來，而目前國內關于這方面的研究尚且不多。從整體裝調這一概念提出以來，國外關于整體裝調技術的研發已經取得了很大的進展，例如，圖1是瑞士的Laurent Stauffer等人（Leica Geosystems AG）自主研發的整體裝調裝置SIXTIFF，該裝置能夠實現平面內X、Y方向的手動平移調節，而通過三個Z軸方向的軸承支點調節能夠實現俯仰和旋轉等姿態的調節。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元件密度很高，且腔內整體構造十分精密，這是機械彈簧式光學鏡架難以實現的。因此，為了提高國內激光器的裝配效率和技術水平，開展光學元件整體裝調技術的研究具有重要意義。

圖1 整體裝調裝置SIXTIFF

2 關鍵技術方案

在光學元件整體裝調技術中，利用外部多維調整架將元件的位置和角度調整好后，接下來需要將其安裝固定，這也是整體裝調技術的關鍵環節。通過調研發現國外關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境溫度變化的穩定性，應當盡量選取強度大、熱穩定性好的材料，表1是本文調研的一些可選材料的熱膨脹系數的數據。

圖2 采用SIXTIFF裝置裝配的光腔

表1 可選材料的熱膨脹系數

由表1可見，金屬類材料中殷鋼的熱膨脹系數較低，而非金屬類材料中石英的熱膨脹系數較低，這兩種材料可作為光學元件整體裝調技術中配件的選用材料。考慮到不同技術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，為了實現光學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，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。通過上述技術方案成功實現了光學元件的一次裝配定型。

3 結論

本文提出一種新的光學元件裝調方法——光學元件整體裝調技術，通過研究完成了其關鍵技術方案的設計，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單個元件的安裝固定。通過該項研究結果，可以為國內激光器裝調技術領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