反射式可調(diào)激光衰減器的研究

薛戰(zhàn)理，俞 兵，吳 沛，韓占鎖，秦 艷，陳 娟，李宏光

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

在激光測距、制導(dǎo)等領(lǐng)域，為了測量測距儀的靈敏度，評判導(dǎo)引系統(tǒng)的作用距離，需要對探測系統(tǒng)所感知的激光能量和功率進(jìn)行連續(xù)衰減，并能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)所要求的衰減比；在光通信等普適性光探測活動中，為了測量激光探測器的響應(yīng)特性，需要對所用激光器的光強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)衰減，同樣要求能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)所需的衰減狀態(tài)。高準(zhǔn)確度衰減比連續(xù)可調(diào)激光衰減器，正是為滿足此類應(yīng)用而提出的。國內(nèi)外相關(guān)專家在激光衰減器研制領(lǐng)域進(jìn)行了許多工作，美國NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）在脈沖激光低能量校準(zhǔn)活動中，采用多級反射式楔形分束器作為可變衰減比調(diào)整裝置［1］，此衰減器衰減比為有限的分立值。NIST研制了一種具有六鏡面反射的衰減器［2］，衰減比也為固定值。美國Newport公司利用晶體偏振器件，研制了一種衰減比連續(xù)可調(diào)的器件［3］。國內(nèi)北京理工大學(xué)高雪松等人提出一種利用多塊楔形棱鏡衰減器結(jié)合中性玻璃衰減器組成的高精度衰減系統(tǒng)，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)定量衰減［4］。曲阜師范大學(xué)劉云安等人利用偏振棱鏡和1／4波片，獲得了光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的圓偏振光［5］，該校李國華等人利用偏振干涉原理研制了一種由3個(gè)偏光棱鏡和1個(gè)1／4波片組成的光強(qiáng)連續(xù)變化的衰減器［6］。中國計(jì)量科學(xué)研究院呂正等人利用2塊相向移動光楔片，構(gòu)建了一種雙光楔補(bǔ)償激光衰減器，該器件在使用中要考慮消除相干光干涉條紋的影響［7］。長春理工大學(xué)邴昱凱等人利用雙棱鏡相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了對激光束衰減比的調(diào)整［8］。第二炮兵工程學(xué)院在激光制導(dǎo)武器仿真實(shí)驗(yàn)室中，利用漫反射屏產(chǎn)生不同的激光能量［9］。中國工程物理研究院沈志學(xué)等人提出了基于液晶的可調(diào)激光衰減器，利用液晶電控雙折射效應(yīng)制作出了動態(tài)范圍較大的激光衰減器已用于波分復(fù)用光通信系統(tǒng)研究中［10］。西南師范大學(xué)朱少麗提出了一種光纖激光衰減器，利用外置的調(diào)節(jié)旋鈕對衰減比進(jìn)行調(diào)整［11］?？烧{(diào)激光衰減器基本上有3種工作模式：1）基于光學(xué)材料光吸收效應(yīng)產(chǎn)生的衰減；2）基于連續(xù)反射所產(chǎn)生的光衰減；3）基于光學(xué)偏振效應(yīng)的光衰減。目前大多數(shù)激光衰減器在光場均勻性、光束寬度、損傷閾值、偏振性、動態(tài)范圍、衰減精度等方面存在著一定程度的不足，為提高可調(diào)激光衰減器的綜合性能，本文提出了一種反射式連續(xù)可調(diào)激光衰減器。該型衰減器基于斜入射時(shí)不同入射角偏振激光光波在介質(zhì)分界面具有不同反射率的原理，對入射光的功率或能量進(jìn)行衰減，動態(tài)衰減范圍較大，利用伺服電機(jī)對入射角進(jìn)行精確控制從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確衰減比的連續(xù)調(diào)整。

1 反射式可調(diào)激光衰減器的組成及工作原理

反射式可調(diào)激光衰減器用于實(shí)現(xiàn)激光功率／能量的準(zhǔn)確控制，衰減器由I級、II級衰減組件、伺服電機(jī)、反射光吸收阱、角度傳感器、殼體組成，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。每級衰減組件包括一個(gè)主衰減片和一個(gè)補(bǔ)償衰減片，4個(gè)衰減片可圍繞各自的中線旋轉(zhuǎn)360°，每個(gè)衰減片垂直固定在主、從動齒輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)上。主動齒輪通過減速箱與伺服電機(jī)相連，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角通過外置的編碼盤進(jìn)行測量，測量值為絕對角度值。為提高角度的控制精度，在電機(jī)內(nèi)部配備有17位的絕對碼盤，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對衰減片的轉(zhuǎn)動角進(jìn)行測控。

圖1 反射式可調(diào)激光衰減器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of reflective adjustable laser attenuator

反射式可調(diào)激光衰減器中的主要光學(xué)零件為主衰減片和補(bǔ)償衰減片。在衰減片的兩面根據(jù)波長要求鍍制專用的反射膜和增透膜，總膜系由N層單膜組成，整個(gè)膜系的特征矩陣M是個(gè)單層膜特征矩陣的連乘積［12］：

A、B、C、D為M 的矩陣元，則整個(gè)膜系的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為

式中η為介質(zhì)的有效導(dǎo)納。若入射角為θi1，則S偏振光的偏振光的

由公式（2）、（3）可以看出，若入射光波的偏振態(tài)確定，則衰減片的反射系數(shù)和透射系數(shù)隨著入射角的不同而變化。為了使衰減器的透射系數(shù)連續(xù)可調(diào)，只要在一定的角度范圍內(nèi)連續(xù)控制衰減片的旋轉(zhuǎn)即可，這正是斜入射偏振光波在介質(zhì)分界面上具有不同反射率原理的工程應(yīng)用。

衰減片是在玻璃上鍍制多層介質(zhì)反／透射膜后形成的，膜系的厚度和面密度均勻，從而減小對光束波前相位的影響。入射光波經(jīng)過衰減片后，會發(fā)生圖2所示的橫向光束偏移現(xiàn)象。

圖2 主、補(bǔ)償衰減片光束偏移補(bǔ)償原理Fig.2 Compensation principle of attenuators

若光束的入射角為θi1，入射光通過厚度為t的基片后，光束橫向移動量D由公式（4）給出［13］：

式中n是基片的折射率。為了補(bǔ)償橫向光束偏移，在主衰減片后方再增加一個(gè)補(bǔ)償衰減片，主、補(bǔ)償衰減片的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)動角速率相同，在裝配時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證零位時(shí)兩者之間的平行性，以保證入射光經(jīng)過本衰減器后不會發(fā)生空間位置偏移，避免因空間位置偏移導(dǎo)致的入射光位相變化。

為了提高主、補(bǔ)償衰減片的同步重復(fù)定位精度，必須消除齒輪傳動機(jī)構(gòu)的零回差，在主、從動齒輪系中設(shè)置了專門的消回差機(jī)構(gòu)，消除齒輪系的回差。主、補(bǔ)償衰減片的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得透射光束的衰減倍率連續(xù)變化，由此實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變衰減；同時(shí)，主、補(bǔ)償衰減片的旋轉(zhuǎn)角度被精確控制，從而可以精確實(shí)現(xiàn)用戶或當(dāng)前使用條件所要求的衰減倍率。

入射光線經(jīng)衰減片前表面的反射光是一種非常有害的雜散光，如果不能對反射光進(jìn)行有效吸收，將對主光束造成極大的干擾。為此，在I級和II級衰減組件的側(cè)面加裝反射光吸收阱，圖3為吸收阱的局部示意圖。

圖3 反射光吸收阱局部示意圖Fig.3 Schematic of reflective absorbing trap

吸收阱主體包括若干個(gè)圓錐形吸收單元，在每個(gè)單元的內(nèi)壁上涂覆吸收系數(shù)較大的材料，吸收材料的選取要考慮激光的波長。每個(gè)吸收單元的孔徑面積為S，內(nèi)表面面積為ST，孔徑法線方向與腔體同深度的球體表面面積為Sg，吸收單元腔壁涂覆材料的吸收率為α，根據(jù)Gouff計(jì)算法則［14］，吸收單元的有效吸收率：

吸收單元半徑R與腔長l的比值越小越好，考慮到可調(diào)激光衰減器的縱橫比，l的取值不宜太大，因而就必須縮小吸收單元的口徑。通過多次實(shí)踐證明：l／R的值在6～10之間可以獲得較好的吸收效果。如果取R＝5mm，l＝30mm，吸收單元內(nèi)所涂覆材料的吸收系數(shù)為0.9，經(jīng)計(jì)算，吸收單元的有效吸收率αC＝0.99，這樣約有1%的反射光形成了腔體的雜散光，此雜散光若照射到衰減片上將引起衰減片的二次反射，再次被吸收阱吸收了，若上述雜散光直接進(jìn)入衰減器另一側(cè)的吸收阱，也可被二次有效吸收。根據(jù)衰減片的有效轉(zhuǎn)動角度，可將吸收阱設(shè)計(jì)成2組弧形布局，弧形各點(diǎn)的法線方向盡量與衰減片反射光的方向相匹配，這樣可以有效地吸收反射光。

2 衰減比的校準(zhǔn)方法

根據(jù)偏振態(tài)光波入射角度不同來確定反射式可調(diào)激光衰減器的透過率，該透過率的倒數(shù)是衰減器的衰減比，衰減器在使用中必須校準(zhǔn)衰減比，圖4為衰減比校準(zhǔn)原理圖。欲準(zhǔn)確校準(zhǔn)衰減比，必須解決好2個(gè)關(guān)鍵參量的精確測量，一個(gè)是激光能量或功率，另一個(gè)是衰減片的旋轉(zhuǎn)角度。

圖4 反射式可調(diào)激光衰減器衰減比校準(zhǔn)原理圖Fig.4 Calibration principle for attenuation ratio of reflective adjustable attenuator

衰減器用于激光連續(xù)功率測量時(shí)，在衰減比校準(zhǔn)回路中，利用穩(wěn)功率儀對激光器的輸出功率進(jìn)行控制；衰減器用于脈沖激光能量和峰值功率測量時(shí)，在衰減比校準(zhǔn)裝置中增加分束器件，利用監(jiān)視激光能量計(jì)同步監(jiān)測激光能量的變化。

影響衰減比校準(zhǔn)的第2個(gè)因素是光束入射角的確定。衰減器內(nèi)衰減片的旋轉(zhuǎn)角度由伺服電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)內(nèi)部配有17位的絕對編碼器，以保證伺服電機(jī)的高精度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。衰減片的旋轉(zhuǎn)角度由外置的圓光柵編碼器進(jìn)行測量，編碼器的測量精度為0.3′。實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，首先確定需要的衰減范圍，根據(jù)衰減前后功率或能量的實(shí)際測量值，利用經(jīng)標(biāo)定的分束鏡和激光能量／功率計(jì)，現(xiàn)場完成衰減比的在線校準(zhǔn)，相關(guān)量值必須處于計(jì)量受控狀態(tài)。

3 結(jié)果及分析

根據(jù)反射式可調(diào)激光衰減器的工作原理，結(jié)合普適性激光測量的要求，我們設(shè)計(jì)了一款工作于1.06μm激光波長的衰減器，衰減片的尺寸為60mm×60mm，吸收阱吸收單元為錐形，開口直徑10mm，深30mm，吸收單元沿一弧形排開，分布在衰減片的兩側(cè)。在衰減器內(nèi)的8個(gè)反／透射面鍍制介質(zhì)膜，以使S光波在特定入射角時(shí)具有特定的透射率。

采用圖4所示的裝置測量衰減比，激光器的工作頻率為3 000Hz，脈沖寬度150ns，激光能量為0.5μJ，激光經(jīng)FC／PC光纖輸出，在光纖出口端放置一個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組，使出射激光束直徑為6mm左右，準(zhǔn)直鏡后放置1／2波片（1.06μm）和偏振器，以形成S和P方向的偏振光，本例選用S偏振光。為了獲得高質(zhì)量的S偏振光，采用美國Newport公司的10RP系列1／2波片、10GT系列棱鏡分束器，分束鏡的分束比為50／50，利用Laser probe公司的雙通道RJ7620激光輻射計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)，根據(jù)激光能量要求配以適當(dāng)?shù)哪芰刻筋^，能量計(jì)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位操作。實(shí)施具體測量之前，利用能量計(jì)等儀器設(shè)備將1／2波片、偏振棱鏡、分束鏡調(diào)整至最佳工作狀態(tài)。

衰減器衰減比測量工作由Attmea軟件進(jìn)行操控、計(jì)算和分析。該軟件包括電機(jī)（伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)）驅(qū)動、轉(zhuǎn)角測量、數(shù)據(jù)采集、衰減比、光密度計(jì)算等功能模塊，負(fù)責(zé)激光發(fā)射、驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作、測量結(jié)果分析和顯示等功能的實(shí)現(xiàn)。

利用2套交流伺服電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)，結(jié)合角度編碼器驅(qū)動衰減片的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對光束入射

式中T為衰減器的透射率。

圖5為衰減器透過率的實(shí)際測量值。不難看出，S偏振的光波入射角在0°～50°范圍內(nèi)時(shí)，衰減器的透過率變化不明顯；入射角在50°～90°范圍內(nèi)時(shí)，透過率發(fā)生顯著變化，入射角在85°時(shí)，透過率僅為0.85×10－5，衰減比k＝11 764，光密度OD＝4.07。入射角在85°～90°范圍內(nèi)時(shí)，由于衰減片本身厚度的影響，衰減片擋掉了部分甚至全部的入射光，因而衰減器處于非工作狀態(tài)。在0°～85°的有效工作角度內(nèi)，最大光學(xué)密度為4.07，圖6為光密度曲線。角的控制，在0°～90°范圍內(nèi)角度分辨率優(yōu)于1"，重復(fù)定位精度優(yōu)于6"。

從0°入射角開始連續(xù)改變衰減片的旋轉(zhuǎn)角度，測量衰減器的透射率，計(jì)算出衰減器的衰減比和等效的光學(xué)密度（OD）值，OD值的計(jì)算公式如下：

圖5 衰減器透過率校準(zhǔn)曲線ig.5 Curve for calibrated transmittance of attenuator

圖6 衰減器的光密度曲線Fig.6 Curve for equivalent optic density of attenuator

反射式可調(diào)激光衰減器內(nèi)衰減片的基材為厚度均勻的光學(xué)玻璃。如果入射光是會聚或者發(fā)散的激光束，則會產(chǎn)生一定程度的像差，影響后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的成像或探測性能。因而此型衰減器對準(zhǔn)直激光束進(jìn)行衰減時(shí)，對傳輸?shù)墓獠ㄎ串a(chǎn)生明顯的影響。為了評價(jià)此型衰減器對光束質(zhì)量的影響，我們利用美國Newport公司的200S光束質(zhì)量分析儀對衰減前后的激光光束M2系數(shù)進(jìn)行了測量，測量裝置與圖4所示基本相同，將激光能量計(jì)更換為M2－200S，再配以適當(dāng)?shù)耐接|發(fā)信號。

實(shí)際測量時(shí)將光束的入射角調(diào)整到70°，此時(shí)衰減比為7.5，合理選取M2－200S中的衰減組件，使其內(nèi)的CCD形成清晰的光束輪廓像。未加衰減時(shí)，激光束的＝1.015，＝1.018，經(jīng)過衰減器衰減后，＝1.020，＝1.025。改變衰減器中入射角的大小，M2沒有出現(xiàn)明顯的變化。實(shí)驗(yàn)證明，反射式可調(diào)激光衰減器對準(zhǔn)直激光束光束質(zhì)量沒有產(chǎn)生明顯的影響。

利用大功率連續(xù)激光器和大能量脈沖激光器，對反射式可調(diào)激光衰減器的損傷閾值進(jìn)行了測量，將輸出功率1W～120W、波長為1 064nm的激光器輸出光斑準(zhǔn)直到Φ6mm～Φ10mm，利用激光功率計(jì)測量了衰減器的透過率，其范圍為8.5×10－5～1；經(jīng)激光輻射計(jì)測量，此型衰減器的損傷閾值為100W／cm2（連續(xù)）、0.1J／cm2（10ns脈沖）。

4 結(jié)論

基于斜入射偏振光在介質(zhì)薄膜表面不同反射率原理，研制的反射式可調(diào)激光衰減器，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特征，不影響入射光波的位相特性，不會產(chǎn)生波前畸變現(xiàn)象，經(jīng)過激光光場質(zhì)量分析儀的檢查，該型衰減器對激光束光場均勻性沒有明顯的影響。實(shí)際使用中，為提高衰減器對激光波長的適應(yīng)性，根據(jù)需衰減的激光波長，可選配不同的衰減片組，如果對會聚和發(fā)散激光束進(jìn)行衰減，則存在像差，這是該型衰減器使用中需要注意的事項(xiàng)。

衰減器中的吸收阱，對反射光的吸收程度，影響著衰減器最終的衰減效果。為提高衰減器的使用效果，吸收阱內(nèi)吸收單元幾何形狀、尺寸、涂覆材料的選擇需要不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)，重點(diǎn)應(yīng)考慮入射角處于50°～85°時(shí)反射光的吸收問題。衰減片厚度的設(shè)定必須充分考慮較大入射角對光束的橫向剪切問題。

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