一種激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學領域，具體涉及一種激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，主要用于航天微小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中激光微推力器的研制。該激光微推力器光學系統(tǒng)包括設置在激光微推力器內(nèi)部的半導體激光器、衍射元件高次非球面微透鏡陣列以及靶帶；半導體激光器的激光經(jīng)過衍射元件高次非球面微透鏡陣列的匯聚形成激光靶面，安裝時調(diào)整激光靶面與靶帶相重合，繼而燒蝕靶帶，產(chǎn)生強大推力。本發(fā)明具有體積化、重量輕且聚焦效果好、調(diào)試方法簡單、能耗小等優(yōu)點。
【專利說明】一種激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學領域，具體涉及一種激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，主要用于航天微小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中激光微推力器的研制。
【背景技術】
[0002]激光微推力器是一種新型的微推進系統(tǒng)，主要用于微型航天器的位置保持、姿態(tài)控制、引力補償和軌道調(diào)整。本文研究的激光微推力器光學系統(tǒng)主要用于對高能激光的整型聚焦。以往的激光微推力器光學系統(tǒng)結構復雜、體積龐大，無法滿足航天微小衛(wèi)星的小型化、低功耗發(fā)展要求。因此，需要研究一種小型化、輕量化的光學系統(tǒng)，以滿足微小衛(wèi)星的研制要求。
[0003]目前，激光微推力器樣機性能的關鍵集中在兩點:提高光斑的功率密度和改進靶材性能，因此，這就要求激光微推力器光學系統(tǒng)應具有良好的聚焦性能。對于航天飛行器的推力技術光學系統(tǒng)主要有兩種，第一種:通過拋物型聚光鏡來實現(xiàn)激光聚焦燒蝕；第二種:通過多透鏡組來實現(xiàn)激光器的光斑聚焦燒蝕。上述兩種方法雖然在實際工程中已被廣泛應用，但是仍然存在很多缺陷。第一種方法雖然對于航天飛行器來說其產(chǎn)生的推力很強，結構簡單、易于實現(xiàn)，但是對于航天微星來說，首先要求微推力器的外形尺寸要小，然而采用這種方法必將使其外形尺寸加大，無法滿足微星整體設計中小型化、輕量化的要求。第二種方法，雖然在很多微星上已陸續(xù)投入使用，然而多鏡組的應用不僅光路復雜、調(diào)試也困難，聚焦效果始終不佳，導致系統(tǒng)能效降低。為了滿足最終的使用，只能提高總的輸入功率，從而使系統(tǒng)總的功耗增加，這樣將大大降低了微星的在軌使用壽命。因此，上述兩種方法急需進一步改進。
[0004]綜上所述，考慮到該課題的研究是用于對航天微小衛(wèi)星研制的關鍵技術，該項技術的研究成功，將預示著國內(nèi)航天微星微推力技術進入一個新的臺階。因此，開展激光微推力器光學系統(tǒng)的研究，將對我國航天衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展起著推動性作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決【背景技術】中的問題，本發(fā)明提供一種小型化、輕量化且聚焦效果好、調(diào)試方法簡單、能耗小的一種激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法。
[0006]本發(fā)明的具體技術方案是:
[0007]—種激光微推力器光學系統(tǒng)，包括設置在激光微推力器內(nèi)部的半導體激光器、衍射元件高次非球面微透鏡陣列以及靶帶；
[0008]所述衍射元件高次非球面微透鏡陣列安裝在半導體激光器出射光線與靶帶入射光線之間；所述半導體激光器出射光線通過衍射元件高次非球面微透鏡陣列匯聚形成激光靶面；所述激光靶面與靶帶相重合；
[0009]所述靶帶在激光關線的作用下產(chǎn)生燒蝕；所述靶帶采用黑墨水紙或雙基藥制成。
[0010]基于上述的激光微推力器光學系統(tǒng)現(xiàn)提供該光學系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟I】衍射元件高次非球面微透鏡陣列是由多個衍射元件非球面微透鏡連接組成，該衍射元件高次非球面微透鏡陣列的連接步驟是:
[0012]步驟1.1)將第一個衍射元件高次非球面微透鏡放置到組合測量儀的二維調(diào)整臺上，通過組合測量儀的顯微鏡系統(tǒng)找到第一個的衍射元件高次非球面微透鏡放置的位置，并將該位置記錄為初始位置；
[0013]步驟1.2)通過二維調(diào)整臺的移動，將第一個衍射元件高次非球面微透鏡轉(zhuǎn)移出顯微鏡系統(tǒng)的視場中心，然后將第二個衍射元件高次非球面微透鏡放置到二維調(diào)整臺上，并將第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來；
[0014]步驟1.3)通過設置在組合測量儀上的監(jiān)視器的成像來觀察第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，并調(diào)整第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，保證第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面；
[0015]步驟1.4)重復步驟1.2)和1.3)，將所需的多個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來，在連接過程中需要通過監(jiān)視器觀察每一個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)從而調(diào)整每個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，使得多個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面，最后形成衍射元件高次非球面微透鏡陣列；
[0016]步驟2】將激光推力器放置到二維調(diào)整臺上，接著將半導體激光器、靶帶安裝至激光微推力器內(nèi)，再將步驟1.4)中安裝好的衍射元件高次非球面微透鏡陣列設置在半導體激光器與靶帶之間，利用組合測量儀的顯微鏡系統(tǒng)來調(diào)整，直至半導體激光器出射光線經(jīng)過衍射元件高次非球面微透鏡陣列匯聚之后形成的激光靶面與靶帶相重合，靶帶燒蝕，從而產(chǎn)生強大的推動力。`
[0017]上述衍射元件高次非球面微透鏡陣列是由多個衍射元件高次非球面微透鏡通過膠接的方式連接。
[0018]上述半導體激光器上安裝有用于半導體激光器散熱的半導體激光器靶條熱沉。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]1.該激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，光學系統(tǒng)首次采用衍射元件高次非球面微透鏡陣列，改變以了以往的激光微推力器光學系統(tǒng)設計方法，系統(tǒng)結構更簡單、外形尺寸更??；
[0021]2.該激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，光學系統(tǒng)的改進設計使其能效利用率更高，可大大降低衛(wèi)星的功耗使用率，延長衛(wèi)星的使用壽命；
[0022]3.該激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，改變了現(xiàn)有的光學系統(tǒng)裝調(diào)理念，利用組合測量儀監(jiān)測技術，來實時控制每個透鏡的姿態(tài)位置，可快速調(diào)整各個透鏡的相互位置，保證透鏡陣列具有較好的一致性；
[0023]4.該激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法，在光學系統(tǒng)安裝時，利用二維調(diào)整臺可同時拼接多組透鏡陣列，保證了多組透鏡陣列的快速裝調(diào)，提高了多組光學系統(tǒng)的裝調(diào)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1激光微推力器光學系統(tǒng)結構示意圖。[0025]圖2激光微推力器光學系統(tǒng)安裝圖。
[0026]附圖標記如下:
[0027]1-半導體激光器靶條熱沉；2_半導體激光器；3_衍射元件高次非球面微透鏡陣列；4_靶帶；5_組合測量儀；6_顯微鏡系統(tǒng)；7_ 二維調(diào)整臺；8_監(jiān)視器。
【具體實施方式】
[0028]以下對本發(fā)明的激光微推力器光學系統(tǒng)及其安裝方法進行詳述:
[0029]如圖1所示，本發(fā)明中的激光微推力器光學系統(tǒng)主要包括設置在激光微推力器內(nèi)部的半導體激光器2、衍射元件高次非球面微透鏡陣列3以及靶帶4 ；
[0030]衍射元件高次非球面微透鏡陣列3安裝在半導體激光器2出射光線與靶帶入射光線之間；半導體激光器2出射光線通過衍射元件高次非球面微透鏡陣列3匯聚形成激光靶面；激光靶面與靶帶4相重合，此時靶帶4燒蝕，既而產(chǎn)生強大的能量，用于提供激光微推力器所需的強大的推動力。
[0031]另外，半導體激光器上安裝有用于半導體激光器散熱的半導體激光器靶條熱沉。
[0032]特別的是，本發(fā)明中的靶帶4通常采用黑墨水紙或雙基藥制成。
[0033]結合圖2，本發(fā)明中激光微推力器光學系統(tǒng)的安裝方法，包括以下步驟:
[0034]首先是衍射元件高次非球面微透鏡陣列的安裝方法:
[0035]步驟I】衍射元件高次非球面微透鏡陣列3是由多個衍射元件非球面微透鏡連接組成，該衍射元件高次非球面微 透鏡陣列的連接步驟是:
[0036]步驟1.1)將第一個衍射元件高次非球面微透鏡放置到組合測量儀5的二維調(diào)整臺7上，通過組合測量儀8的顯微鏡系統(tǒng)6找到第一個的衍射元件高次非球面微透鏡放置的位置，并將該位置記錄為初始位置；
[0037]步驟1.2)通過二維調(diào)整臺7的移動，將第一個衍射元件高次非球面微透鏡轉(zhuǎn)移出顯微鏡系統(tǒng)6的視場中心，然后將第二個衍射元件高次非球面微透鏡放置到二維調(diào)整臺7上并將第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來；
[0038]步驟1.3)通過設置在組合測量儀5上的監(jiān)視器8來觀察第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，調(diào)整第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，保證第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面；
[0039]步驟1.4)重復步驟2.2)和2.3)，將所需的多個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來，在連接過程中需要通過監(jiān)視8器觀察每一個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)從而調(diào)整每個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，使得多個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面，最后形成衍射元件高次非球面微透鏡陣列3 ；
[0040]步驟2】將激光推力器放置到二維調(diào)整臺7上，接著將半導體激光器2、靶帶4安裝至激光微推力器內(nèi)，再將步驟1.4)中安裝好的衍射元件高次非球面微透鏡陣列3設置在半導體激光器2與靶帶4之間，利用組合測量儀5的顯微鏡系統(tǒng)6來調(diào)整，直至半導體激光器2出射光線經(jīng)過衍射元件高次非球面微透鏡陣列3匯聚之后形成的激光靶面與靶帶4相重合，靶帶4燒蝕，從而產(chǎn)生強大的推動力。
[0041]特別之處，本發(fā)明中的衍射元件高次非球面微透鏡陣列是通過多個衍射元件高次非球面微透鏡通過膠接的方式連接形成。
[0042]通過采用衍射元件高次非球面透鏡可有效的減少光學元件的使用數(shù)量，從而可使光學系統(tǒng)的外形尺寸減小，并可有效的提高光能利用率，其最終的光能利用率由以前的65%可提局至86%。
【權利要求】
1.一種激光微推力器光學系統(tǒng)，其特征在于:包括設置在激光微推力器內(nèi)部的半導體激光器、衍射元件高次非球面微透鏡陣列以及靶帶； 所述衍射元件高次非球面微透鏡陣列安裝在半導體激光器出射光線與靶帶入射光線之間；所述半導體激光器出射光線通過衍射元件高次非球面微透鏡陣列匯聚形成激光靶面；所述激光靶面與靶帶相重合； 所述靶帶在激光關線的作用下產(chǎn)生燒蝕；所述靶帶采用黑墨水紙或雙基藥制成。
2.一種激光微推力器光學系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于，包括以下步驟: 1】由于衍射元件高次非球面微透鏡陣列是由多個衍射元件非球面微透鏡連接組成，該衍射元件高次非球面微透鏡陣列的連接步驟是: 1.1)將第一個衍射元件高次非球面微透鏡放置到組合測量儀的二維調(diào)整臺上，通過組合測量儀的顯微鏡系統(tǒng)找到第一個的衍射元件高次非球面微透鏡放置的位置，并將該位置記錄為初始位置； 1.2)通過二維調(diào)整臺的移動，將第一個衍射元件高次非球面微透鏡轉(zhuǎn)移出顯微鏡系統(tǒng)的視場中心，然后將第二個衍射元件高次非球面微透鏡放置到二維調(diào)整臺上，并將第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來； 1.3)通過設置在組合測量儀上的監(jiān)視器的成像來觀察第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，并調(diào)整第二個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，保證第一個衍射元件高次非球面微透鏡和第二個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面； 1.4)重復步驟1.2)和1.3)，將所需的多個衍射元件高次非球面微透鏡連接起來，在連接過程中需要通過監(jiān)視器觀察每一個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)從而調(diào)整每個衍射元件高次非球面微透鏡的姿態(tài)，使得多個衍射元件高次非球面微透鏡共焦面，最后形成衍射元件高次非球面微透鏡陣列； 2】將激光推力器放置到二維調(diào)整臺上，接著將半導體激光器、靶帶安裝至激光微推力器內(nèi)，再將步驟1.4)中的安裝好的衍射元件高次非球面微透鏡陣列設置在半導體激光器與靶帶之間，利用組合測量儀的顯微鏡系統(tǒng)來調(diào)整，直至半導體激光器出射光線經(jīng)過衍射元件高次非球面微透鏡陣列匯聚之后形成的激光靶面與靶帶相重合。
3.根據(jù)權利要求1所述的激光微推力器光學系統(tǒng)，其特征在于:所述衍射元件高次非球面微透鏡陣列是由多個衍射元件高次非球面微透鏡通過膠接的方式連接。
4.根據(jù)權利要求2所述的激光微推力器光學系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于:所述衍射元件高次非球面微透鏡陣列是由多個衍射元件高次非球面微透鏡通過膠接的方式連接。
5.根據(jù)權利要求1或3所述的激光微推力器光學系統(tǒng)，其特征在于:所述半導體激光器上安裝有用于半導體激光器散熱的半導體激光器靶條熱沉。
【文檔編號】G02B7/02GK103499848SQ201310404575
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】徐亮, 趙建科, 初昶波, 段亞軒, 陳永權, 張昊蘇, 周艷, 楊菲, 胡丹丹 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所