双稳态激光光束切换装置的制作方法

本发明属于激光切换技术领域，具体涉及一种双稳态激光光束切换装置，特适 用于航天设备的小型运动部件，可用于主备份激光切换、激光偏振状态改变等应用 场景。

背景技术

激光光学系统及激光冷却原子技术已经被广泛应用于实际工程项目，甚至是应 用于航空航天领域当中。由于航天设备的特殊使用环境，通用机械光开关等运动部 件都需要满足可靠性、耗能性、真空环境、断电重启、不加电工作等特殊环境的适 应性和使用寿命等方面的严苛要求，需要设备在保证小型化、集成化的同时，还需 要兼备极高的稳定性和可靠性，以满足长期稳定的航天工作，一般的商业产品存在 种种限制，无法直接应用。

以一台星载冷原子钟为例，作为冷原子钟的重要组成部分之一，光学系统输出 多路激光，主要功能是为物理单元提供用于冷原子制备、抽运和探测的激光光源， 其功率、频率的长期稳定性直接影响冷原子钟的性能指标。其中激光器是光学系统 的关键器件，为了保证该星载积分球冷原子钟的光学平台能够进行长期稳定的航天 工作，满足十年使用寿命的要求，实验上将从两方面进行优化：一是针对实验实际 需求适当降低额定功率，使得实际使用功率为标称功率的80％左右，延长使用寿命； 二是采用备份激光器，即做一份与主光路一模一样的备份激光器，失效时及时进行 切换，从而保证光路及其后续物理过程不间断。

针对上述提到的方案二，传统的装置存在诸多问题：

1)旋转转台没有设置预紧装置，步进电机不上电时，其自锁力矩非常小，震动 易导致步进电机随机旋转，即工作初始状态电机无法完全归零，导致每次上电工作 时存在初始误差，影响后续波片调节引入错误的偏振度。

2)传统装置一般需长期供电才能使波片固定在特定的工作位置处，耗能大且长 时间运作会导致装置的调节精度下降。

3)传统装置的波片旋转中心位于波片平面内几何中心的位置处，即波片在垂直 光轴的平面内旋转，旋转轴与光轴重合，这种方案对旋转角度的精度要求非常高， 在需要引入高精度偏振态光源情况下，容易因旋转不到位等问题为后续光路引入较 大的偏振误差，导致后续光路失效。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种新型双稳态激光光束切换装置，适用于 航天设备的小型运动部件，为各种激光应用工程光学系统冗余设计服务，可用于主 备份激光切换、激光偏振状态改变等应用场景。本发明产品应用于新一代星载冷原 子钟，以确保其长期稳定在轨作业为目的，装置结构简单、稳定性好，工程产品已 经通过航天级别力学振动和热环模试验测试验证，证明可适用于空间和地面各类激 光光学系统的工程应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种双稳态激光光束切换装置，其特点在于：包括基座、步进电机及其配套装 置、供波片放置的波片架组件、弹簧组件和终止位置监测装置；

所述的基座底部设有四个定位孔，用于固定在光学平台中；

所述的步进电机及其配套装置固定在所述的基座上，在该步进电机及其配套装 置的一侧分别设有所述的波片架组件、弹簧组件及终止位置监测装置，且所述的波 片架组件的一侧与所述的弹簧组件相连。

所述的步进电机及其配套装置包括外壳、内置的步进电机和电机转轴，该电机 转轴的一端与波片架底盘相连，且所述的步进电机、波片架组件、波片三者的旋转 中心共轴。

所述的波片架组件包括依次连接波片架底盘、波片旋转平台和波片固定框，且 所述的波片架底盘与波片旋转平台同圆心粘接，所述的波片架底盘上有一凹槽，为 旋转后的弹簧组件预留空间。

所述的波片旋转平台的直径与所述的波片固定框相连的一边等长，所述的波片 固定框沿直径与波片旋转平台粘接。

所述的终止位置监测装置用于对波片架组件进行终端限位，且采用编码器反馈 的方式，对终端在位情况进行检测及信号输出。

波片架组件和弹簧组件以及电机转轴之间、波片与波片架固定框之间、步进电 机与基座之间均通过胶粘的方式进行连接，固化后收缩性小，产生的内应力小，化 学性能稳定，没有挥发性物质产生，且不会对光学镜片造成污染。粘接完成后再用 特殊粘接胶固定。安装基座上的物理限位凸台均进行特殊处理包覆，以降低波片转 台转动到位带来的冲击，防止到位碰撞后反弹。

本发明的技术效果：

1)本发明装置尺寸小，内部各组件布局合理，实现高度集成化。

2)本发明中的波片架结构设计，不同于传统的以光路方向为轴进行波片旋转 的方式，采用垂轴旋转调节方式，使得波片在使用过程中只存在0°断电状态和90° 工作状态两种形态，简化了光切换过程，减少了复杂角度调节过程中引起的误差， 且最大程度保证装置的使用精度。

3)本发明考虑电机断电状态自锁力矩小的问题，采用弹簧进行预紧，经计算该 预紧力小于电机的转动力矩，在有效防止例如发射等震动导致电机随机旋转的同时 也能够满足上电后立即运作的情况，降低引入初始误差的可能性，保证装置的使用 精度。

4)本发明中装置电机上电时，带动波片、波片架组件和弹簧一起旋转，弹簧装 置跟随旋转且经过波片架组件的质心，为波片引入一个反向拉力，且波片到位后电 机断电，该弹簧能够将波片稳定固定在工作状态处。

5)本发明采用高强度高性能高可靠性的步进电机，光机设计通过航天级别可靠 性及寿命测试，使用寿命大于10年，转台旋转次数大于10000次。

附图说明

图1是本发明双稳态激光光束切换装置的结构示意图。

图2是本发明中步进电机及其配套装置的结构示意图。

图3是本发明中波片架组件的结构示意图。

图4是本发明中弹簧力学分析图，其中a为步进电机不上电时的受力分析示意 图，b为步进电机上电带动波片进行旋转到达指定位置后，弹簧的受力分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明双稳态激光光束切换装置的结构示意图，如图所 示，一种双稳态激光光束切换装置包括基座1、步进电机及其配套装置2、波片架 组件3、波片4、弹簧组件5、终止位置监测装置6。其中弹簧组件3连接于波片架 组件左侧3，在电机不上电时，由于电机自锁力矩非常小，为了防止发射时震动导 致电机随机旋转，需要对初始状态的电机施加一个预紧力，考虑采用弹簧进行预紧； 电机上电时，带动波片、波片架组件和弹簧组件一起旋转，弹簧组件跟随旋转且经 过波片架组件的质心，为波片引入一个反向拉力，且波片到位后电机断电，该弹簧 能够将波片稳定固定在工作状态处。因此该特殊弹簧装置在该新型双稳态激光光束 切换装置中起着关键性作用。

图2所示的步进电机及其配套装置包括外壳2-1、内置的步进电机2-2和电机 转轴2-3，所述的电机转轴用于与波片架底盘连接，所述的步进电机、波片架组件、 波片三者的旋转中心共轴。该新型双稳态激光光束切换装置触发后，步进电机收到 信号驱动旋转，带动转轴旋转同时驱动波片架组件，使波片能够转动至指定位置。

图3所示的波片架组件包括依次波片架底盘3-1、波片旋转平台3-2和波片固 定框3-3，所述的波片架底盘上有一凹槽，波片架组件旋转后带动弹簧端点一起旋 转，且弹簧逐渐拉伸，到达指定位置后弹簧已过波片架底盘的质心，设置该凹槽恰 能为旋转后的弹簧组件预留空间。

下面进行弹簧的受力分析，请参阅图4。

图4(a)是本发明在电机不上电的受力分析示意图。图中L1和L2为装置固定 长度分别为9.95mm和11.34mm，角度θ范围为113.3°～203.3°，C为波片架组件 转轴的圆心，A、B分别为拉簧两端固定点。拉簧的弹性系数K为0.009N/mm，自由 长度9.3mm。计算得到初始状态时对电机的预紧力矩为0.445mNm，旋转90°后，预 紧力矩为-0.222mNm(逆时针为正)，为防止转动过程中拉簧的反向力矩大于电机的 转矩，导致即使装置上电，在弹簧作用下步进电机无法带动波片旋转的情况，需要 对拉簧产生的最大力矩进行计算分析，原则上预紧力矩不超过电机转矩的2/3。

当θ为180°时，产生的逆向转矩为0，在180°～203.3°之间转矩由小增大，最 大值为终止位置；所以拉簧产生的逆向转矩最大时，θ在113.3°～180°之间，拉簧 对电机产生的逆向转矩为：

T＝(L3-9.3)K×sinα L1

其中K和L1为定值，因此求上式最大值转换为求(L3-9.3)sinα的最大值。

使用Matlab计算得到当θ为113.3°时，T2取得的最大值为4.9737.此时T为 0.445mNm,即推断初始位置为预紧扭矩最大值。假如需要电机5s内旋转90°则角加 速度α至少为此时需要的负载转矩为：

T＝J α

其中，J是负载的转动惯量，其值为0.068kg·mm²，则T3为0.00854mNm。最大 所需转矩为T T3＝0.454mNm，小于电机最大转矩0.65mNm，因此，电机在旋转过程中， 拉簧产生的反向力矩始终小于电机的转动力矩，即电机负载能力足够，可以带动波 片旋转到指定位置。

图4(b)是本发明在电机上电带动波片进行旋转到达指定位置后，弹簧的受力 分析示意图。由上述分析可得电机有足够大的力矩带动波片及弹簧到达指定位置， 由图4(b)可见在该位置处弹簧AB已过波片架转台质心，步进电机断电后，此时 有且仅有弹簧为波片提供反方向的拉力，且由于设置了有限位缓冲垫，弹簧端点固 定于特定位置，能够保证波片的长期稳定工作。

在使用过程中，当主光路正常运作时，该激光光束切换装置未触发，此时波片 处于水平状态，备份光路的光束偏振状态与主光路垂直，不会对后续光路产生任何 影响；而当主光路出现故障，发出电信号触发备份光路，步进电机接通开始运作， 带动外置波片组件旋转，当转动力矩大于预紧弹簧的反向力矩后，波片组件开始旋 转，且带动波片由水平0°位置旋转至90°位置后停止，此时备份光束经由此1/2 波片调整后，偏振方向与主光路一致，代替主光路光束投入使用。且因设置了特殊 拉簧装置保证波片在固定位置的长期稳定工作，波片到位后电机即可断电。