阅读说明：本技术 一种新型hcn激光器腔长调节机构 (Novel HCN laser cavity length adjustment mechanism ) 是由 刘海庆 解家兴 魏学朝 揭银先 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型HCN激光器腔长调节机构,包括有步进电机、高精度微分头和压电陶瓷,所述的步进电机连接在高精度微分头上,所述的高精度微分头通过波纹管弹簧与真空法兰相连,真空法兰与一个同等尺寸的绝缘法兰相连,绝缘法兰连接在激光器阴极密封压盖上,阴极密封压盖上加工了6根真空引线柱,高精度微分头的前端衔接了一个螺杆从阴极密封压盖中心穿出,并在螺杆上直接连接一个封装柱形压电陶瓷,压电陶瓷的前端与平面反射镜相连。本发明机构能为HCN双激光器提供精度2m的输出功率调节和精度10nm的差频调节,为HCN双激光器的持续稳定输出提供保障。(The invention discloses a novel HCN laser cavity length adjusting mechanism which comprises a stepping motor, a high-precision differential head and piezoelectric ceramics, wherein the stepping motor is connected to the high-precision differential head, the high-precision differential head is connected with a vacuum flange through a bellows spring, the vacuum flange is connected with an insulating flange with the same size, the insulating flange is connected to a laser cathode sealing gland, 6 vacuum lead columns are processed on the cathode sealing gland, the front end of the high-precision differential head is connected with a screw rod which penetrates out of the center of the cathode sealing gland, the screw rod is directly connected with a packaging column-shaped piezoelectric ceramics, and the front end of the piezoelectric ceramics is connected with a plane reflector. The mechanism of the invention can provide output power regulation with the precision of 2m and difference frequency regulation with the precision of 10nm for the HCN twin laser, and provides guarantee for continuous and stable output of the HCN twin laser.)

一种新型HCN激光器腔长调节机构

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种新型HCN激光器腔长调节机构。

背景技术

远红外激光干涉仪已经广泛的用于托卡马克装置上检测等离子密度，而在EAST，HT-7和J-TEXT等装置上用的是HCN激光干涉仪。HCN激光干涉仪是一种外插式Mach-Zehnder干涉仪，需要进行频率调制产生一个差频信号，而双激光器法是频率调制的一个极佳的方法。对于双激光器而言，保持其输出功率和差频具有良好的稳定性是双激光器应用的关键。HCN双激光器的输出功率和差频的调节是通过改变激光器放电腔腔长来实现的，而腔长的调节是通过调节机构对阴极的平面反射镜进行水平位移的调节来实现的，因此，激光器的腔长调节机构是保证双激光器稳定输出的核心部件。

现有技术中，期刊文章J.B.ZHANG,Y.X.JIE,H.Q.LIU,X.C.WEI,et al.Outputpower stability of a HCN laser using for the EAST interferometer system,Journal of instrumentation,November 11,2015.介绍了EAST托卡马克上目前使用电动平台来控制具有推杆的HCN单激光器阴极调腔机构，但整个装置零件繁多，安装复杂，并且调节精度不能满足HCN双激光器差频调节的需求。期刊文章G.Li,X.C.Wei,H.Q.Liu,Development of an HCN dual laser for the interferometer on EAST,PlasmaScience and Technology,Vol.19,Jun.20,2017.中介绍了使用压电陶瓷微位移台进行HCN双激光器的差频调节的初步实验，并取得了一定成果，但没有将输出功率调节与差频调节相结合，调节精度也需要进一步提高。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种新型HCN激光器腔长调节机构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型HCN激光器腔长调节机构，包括有步进电机、高精度微分头、衔接部件、波纹管弹簧、法兰组件、压电陶瓷和平面反射镜，所述的步进电机的前端通过衔接螺杆一连接高精度微分头的调节端头，高精度微分头的另一端连接有衔接螺杆二，在高精度微分头的外侧设有外壳，所述的外壳的一端固定在所述的步进电机上，所述的波纹管弹簧和衔接部件位于外壳内部，波纹管弹簧的两端分别设有法兰，波纹管弹簧一端的法兰与外壳的另一端固定连接，波纹管弹簧另一端的法兰与衔接部件密封焊接连接，所述的高精度微分头的衔接螺杆二依次穿过衔接部件、波纹管弹簧、外壳、法兰组件与压电陶瓷的后端连接，压电陶瓷的前端通过绝缘陶瓷块与平面反射镜连接，在所述的法兰组件上设有多个真空引线柱。

所述的高精度微分头的轴心螺距为0.1mm。

在所述的步进电机的后端连接有手动调节旋钮。

所述的法兰组件包括有不锈钢真空法兰、陶瓷法兰和阴极密封法兰，所述的不锈钢真空法兰与陶瓷法兰尺寸相同，不锈钢真空法兰与所述的外壳的端部固定连接，不锈钢真空法兰与陶瓷法兰固定连接，陶瓷法兰与阴极密封法兰固定连接，所述的真空引线柱有6个，分别设在阴极密封法兰上以引出压电陶瓷的电源线和信号线。

所述的压电陶瓷为内置钢轴的柱形封装压电陶瓷。

在所述的壳体外侧面上开有刻度槽。

所述的衔接部件为圆柱形不锈钢套筒，密封焊接在波纹管弹簧外侧，使波纹管弹簧内部保持真空。

所述的阴极密封法兰上安装有6个真空引线柱。

所述的压电陶瓷为封装柱形压电陶瓷，前端有螺栓，后端开有螺孔，内置钢轴，侧面有2根电压输入线和4根反馈信号线。

所述的真空引线柱引出的电压输入线和反馈信号线连接在压电陶瓷驱动器上。

所述的步进电机通过自带的电源线和信号线连接在步进电机驱动器上。

微分头、步进电机和压电陶瓷紧密连接成一条水平直线，使各部位的驱动都能够使前端的平面反射镜进行轴向的前后移动。

所述的波纹管弹簧和带有密封垫圈的密封法兰使整个调节机构保持密封状态，达到了HCN激光器的真空度要求。

所述的压电陶瓷与平面反射镜相连，保证了压电陶瓷极高的调节精度。

本发明具有步进电机和压电陶瓷的双级驱动，步进电机的调节精度可达2μm，压电陶瓷的调节精度可达10nm，步进电机后端具有可手动操作的调节旋钮。

本发明通过旋转机构后端的调节旋钮或控制后端的步进电机转动，带动机构内部的高精度微分头旋钮旋转，高精度微分头的旋钮转动产生微分头前端输出杆的前后移动，进而带动衔接杆以及前端的封装柱形压电陶瓷进行前后移动，进而使安装在压电陶瓷上的平面反射镜前后移动，来达到调节激光器腔长的目的，调节精度为2μm，此方法用来调节激光器的输出功率。压电陶瓷通过真空引线柱与外部的压电陶瓷控制器相连接，通过控制器，可以使压电陶瓷带动前端的平面反射镜进行更高精度的位移输出，精度为10nm，此方法用来控制激光器的中频。

本发明的优点是：本发明机构体积小，结构紧凑，能为HCN激光器提供精度2μm的输出功率调节和精度10nm的中频调节，实验人员可以根据实验需要任意改变步进电机和压电陶瓷的输出位移，得到所需的输出功率和中频信号。同时后端的手段调节旋钮可便于实验人员在HCN激光器运行初期找到输出信号，测试激光器性能，因此该调节机构可以为HCN激光器提供高精度的腔长调节，为HCN激光器的输出功率和中频的控制与稳定提供了保障。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为本发明系统去掉隐藏线的侧视图。

图3为封装柱形压电陶瓷结构示意图。

图4为双激光器稳定性控制系统控制流程图。

图5为新型HCN腔长调节机构在HCN双色激光器上的安装示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种新型HCN激光器腔长调节机构，包括有步进电机1、高精度微分头2和压电陶瓷3，所述的步进电机1前端通过衔接螺杆一4与高精度微分头2相连，所述的步进电机1后端连接调节旋钮5，所述的衔接部件6密封焊接在波纹管弹簧7上，所述的波纹管弹簧7焊接在不锈钢外壳8上，所述的不锈钢外壳前端连接不锈钢真空法兰9，所述的不锈钢真空法兰9与一个同等尺寸的陶瓷法兰10相连以保证绝缘，所述的陶瓷法兰10连接在激光器阴极密封法兰11上，所述的激光器阴极密封法兰11上加工有6个真空引线柱12以引出压电陶瓷3的电源线和信号线，所述的高精度微分头2的衔接螺杆二13依次穿过衔接部件6、波纹管弹簧7、外壳8、真空法兰9、陶瓷法兰10、阴极密封法兰11与压电陶瓷的后端连接，压电陶瓷的前端与平面反射镜14相连。所述的衔接部件为圆柱形不锈钢套筒，密封焊接在波纹管弹簧外侧，使波纹管弹簧内部保持真空。

图4为该发明所应用的HCN双激光器稳定性控制系统控制流程图。整个稳定性反馈控制系统由激光器系统、执行机构、驱动器以及PLC连接，形成稳定的闭环系统，保证了双激光器的自动控制及远程监控。工控机作为上位机，直接与作为下位机的PLC相连，将工控机与PLC进行通讯，工控机的界面上可以直接显示整个激光器系统的运行状态，通过工控机，可以保持整个双激光器系统的自动控制的运行与停止，并可以输入具体指令，通过PLC将指令传递给执行机构的驱动器，驱动步进电机或压电陶瓷，使激光器阴极端的平面反射镜进行前后移动，进而调节双色激光器的功率和中频。两台激光器的信号通过反射镜及凹面镜组成的光学系统，分别进入三个探测器中，探测器B和C分别探测双色激光器1和2的功率信号，两台激光器的光进行分光及合束后，进入探测器C，来接受中频信号。中频信号通过数字示波器采集识别，并与输出功率的型号一起传递给PLC，通过PLC被工控机接受并显示给工作人员。

如图5所示，该调节机构安装在HCN双色激光器15上，阴极密封法兰11通过密封垫圈与激光器紧密连接，保证了激光器的真空状态，在激光器出光后，手动调节调节旋钮5，使调节机构前端的平面反射镜进行前后轴向移动，就可以实现手动改变激光器的输出功率值；将步进电机和压电陶瓷分别连接在电机驱动器和压电陶瓷驱动器上，则可以实现HCN激光器输出功率和中频的自动控制和远程控制，在计算机上输出具体的步长参数，就可以使步进电机和压电陶瓷进行精确的位移输出，步进电机的调节精度可达2μm，压电陶瓷的调节精度可达10nm。