輪盤(pán)式程控多波長(zhǎng)激光能量衰減器的研制*

蘇俊宏，牛燕敏

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

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輪盤(pán)式程控多波長(zhǎng)激光能量衰減器的研制*

蘇俊宏，牛燕敏

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

摘要：針對(duì)常用的衰減系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)一種波長(zhǎng)的衰減，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)衰減的程控衰減方法.采用中性密度濾光片作為衰減系統(tǒng)的衰減單元，衰減盤(pán)之間通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)寬范圍衰減，整個(gè)衰減過(guò)程通過(guò)程序控制及相關(guān)算法精確查找，使其具有快速、精確的衰減.使用532 nm和1 064 nm Nd∶YAG激光器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該衰減器可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的衰減，衰減范圍寬,且具有可靠的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.與傳統(tǒng)的衰減器相比，它解決了衰減波長(zhǎng)單一,能量變化動(dòng)態(tài)范圍小,線(xiàn)性度不好以及重復(fù)性不高等問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞：Nd∶YAG激光器；中性密度濾光片；能量衰減；多波長(zhǎng)

隨著科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，衰減器作為高功率激光系統(tǒng)中必不可少的測(cè)試儀器之一，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其要求也越來(lái)越高.目前，常見(jiàn)的衰減器件有光楔、光柵和吸收性衰減片等.光衰減器要求重量輕、體積小、精度高、穩(wěn)定性好和使用方便等.理想的光衰減器應(yīng)只改變?nèi)肷涔馐恼穹?不影響其幾何特性(束寬、發(fā)散角等)、位相、光譜分布、偏振態(tài)和時(shí)間特性，還應(yīng)具有動(dòng)態(tài)范圍廣、光譜區(qū)域?qū)捄蛷?fù)現(xiàn)性好等特點(diǎn)，其光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好[1].衰減器主要要求是插入損耗低、回波損耗高、分辨率線(xiàn)性度和重復(fù)性好、衰減量可調(diào)范圍大、衰減精度高、器件體積小及環(huán)境性能好[2].

在衰減器設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)方法主要有機(jī)械式調(diào)光闌法、光電技術(shù)調(diào)光法、晶體吸收法、偏振衰減法和吸收式衰減片等[3-5]，這些方法絕大部分以機(jī)械式為主，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是存在很多弊端，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確衰減及自動(dòng)化控制.國(guó)外所設(shè)計(jì)的衰減器主要有兩種設(shè)計(jì)原理：① 基于內(nèi)反射原理的靠改變間隙和透射厚度的雙直角棱鏡對(duì),其缺點(diǎn)是衰減梯度太大,衰減比的復(fù)現(xiàn)精度難以保證,且對(duì)光譜太敏感[6-7]；② 基于菲涅爾原理的旋轉(zhuǎn)光楔對(duì),它的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)35 dB,可以承受較高的衰減能量,衰減后激光束的漂移和偏轉(zhuǎn)較小,但缺點(diǎn)是對(duì)偏振敏感,且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜[8].依據(jù)激光能量衰減系統(tǒng)測(cè)試的要求，理想的衰減系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)線(xiàn)性寬范圍衰減，需要得到不同能量等級(jí)的激光能量，這就要求激光能量能有規(guī)律地按不同能級(jí)進(jìn)行變化.要實(shí)現(xiàn)激光能量的衰減，最簡(jiǎn)單的辦法是通過(guò)光學(xué)衰減片，將其放置在光路中，將光強(qiáng)衰減.對(duì)于激光損傷測(cè)試系統(tǒng)而言，衰減片不能改變激光分布，也不能產(chǎn)生多次反射以造成干擾.通常能夠?qū)崿F(xiàn)這兩個(gè)條件的光學(xué)衰減片可由兩種方式獲得：① 在光學(xué)石英玻璃上沉積薄膜，但是由于衰減器要多次遭受強(qiáng)激光的輻照，采用光學(xué)鍍膜的方式制備符合要求的薄膜技術(shù)難度大，使用壽命較為有限；② 選擇中性濾光玻璃，由于光通過(guò)中性衰減片之后，不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)均按同一比例衰減，因此不會(huì)對(duì)通過(guò)激光的能量分布造成影響.但是，中性濾光片也存在明顯的不足，中性濾光片對(duì)光的吸收不僅與所選材料有關(guān)，也與材料厚度有密切關(guān)系[9].通常中性玻璃的光通量是通過(guò)調(diào)節(jié)其厚度來(lái)確定的.本文在常用的機(jī)械式衰減器基礎(chǔ)之上，通過(guò)相關(guān)算法和設(shè)計(jì)，使得衰減器能夠?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)，寬范圍的程控智能化衰減.

1衰減器的光學(xué)原理

設(shè)計(jì)采用了衰減片(中性密度濾光片)進(jìn)行大幅度衰減來(lái)滿(mǎn)足使用要求.激光通過(guò)固定的衰減片只能進(jìn)行固定的大幅度衰減，為達(dá)到更精確的衰減，需將不同透過(guò)率的衰減片進(jìn)行級(jí)聯(lián).不同種類(lèi)的中性玻璃衰減系數(shù)不同,相同種類(lèi)、不同厚度的衰減片其吸收能力也不同.朗伯吸收定律表達(dá)式為

A=ln(I0/I)=ln(1/T)

(1)

式中：A為吸光度(或光密度)；I0、I分別為入射光和透過(guò)衰減片之后的透射光強(qiáng)；T為透過(guò)率.由此可知，不同透過(guò)率的衰減片之間進(jìn)行自由組合就會(huì)得到精確而連續(xù)的衰減量.

組合透過(guò)率理論計(jì)算表達(dá)式為

T=I/I0

(2)

η=1/T

(3)

其中η為衰減率.設(shè)1#、2#和3#衰減盤(pán)上衰減片透過(guò)率依次為k1m、k2m和k3m(m取值1～5)，因衰減片是級(jí)聯(lián)關(guān)系，所以其組合透過(guò)率Ti為

Ti=k1m·k2m·k3m(i取1～125)

(4)

η=1/(k1m·k2m·k3m)

(5)

由此可知其衰減范圍為

-10lgTmindB≤β≤-10lgTmaxdB

(6)

以分貝數(shù)表示的衰減率

β=10logη=- 10logT

2衰減器設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)計(jì)要求

考慮成本及其他綜合因素，本方案選擇了中性濾光玻璃作為衰減片，通過(guò)外聯(lián)加工不同衰減倍率的衰減片，通過(guò)其相互組合匹配獲得不同衰減倍率，從而實(shí)現(xiàn)了激光能量的近線(xiàn)性調(diào)整.對(duì)于多波長(zhǎng)衰減，衰減器應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)衰減，組合透過(guò)率衰減范圍設(shè)計(jì)0～100%，誤差為5%.同時(shí)，三組衰減盤(pán)在級(jí)聯(lián)時(shí)，激光應(yīng)能夠準(zhǔn)直入射三組衰減片，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.

2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)激光能量的自動(dòng)化調(diào)整，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)程序控制的輪盤(pán)式激光衰減器，其工作原理如圖1所示.輪盤(pán)式程序控制衰減器由三組單獨(dú)的輪盤(pán)式程控衰減器組合而成.每組程控衰減器均包含步進(jìn)電機(jī)、支架臺(tái)、衰減片輪盤(pán)卡槽和四個(gè)不同衰減倍率的衰減片.步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)控制卡接收來(lái)自工控機(jī)的控制命令，通過(guò)支架臺(tái)內(nèi)部的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，帶動(dòng)衰減器輪盤(pán)卡槽的工位，每一個(gè)圓形輪盤(pán)卡槽均設(shè)定有5個(gè)孔位(編號(hào)為1,2,3,4和5)，沿著輪盤(pán)卡槽的圓周方向均勻開(kāi)有5個(gè)直徑?50 mm的卡槽孔，這5個(gè)孔除一個(gè)空置外，其余均安裝有不同衰減倍率的衰減片.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)在不同工位時(shí)，此時(shí)三組衰減片組合在一起形成一個(gè)新的衰減倍率，三組衰減片便形成了125種組合.

圖1　輪盤(pán)式程序控制衰減器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Roulette program control attenuator schematic diagram

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1衰減范圍設(shè)計(jì)

利用Matlab軟件，對(duì)這三組12個(gè)衰減片(注：不含每組程控衰減器的空置工位)的衰減倍率(透過(guò)率)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，通過(guò)擬合的曲線(xiàn)更換某些衰減片透過(guò)率對(duì)線(xiàn)性度進(jìn)行優(yōu)化[9]，從而得到一條線(xiàn)性度較好的理論組合.

根據(jù)理論設(shè)計(jì)的衰減范圍，定制加工相應(yīng)的衰減片，但是由于現(xiàn)有的中性衰減片玻璃的加工水平很難得到符合設(shè)計(jì)需要的中性衰減玻璃(通常其加工誤差在5%左右)，因此只能通過(guò)加工的具體中性衰減玻璃來(lái)進(jìn)行衰減片的組合.532 nm和1 064 nm實(shí)際的衰減片組合見(jiàn)表1～2.

表1　532 nm實(shí)際透過(guò)率Tab.1　532 nm actual transmission rate

從實(shí)際的透過(guò)率表中可以看出，不同波長(zhǎng)的透過(guò)率在同一濾光片作用下存在一定的差異，因此針對(duì)不同中心波長(zhǎng)的激光，衰減系統(tǒng)會(huì)選擇其對(duì)應(yīng)的衰減程序進(jìn)行衰減，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)之間的衰減.在衰減時(shí)，若所需衰減的倍率不存在，程序會(huì)自動(dòng)查找其最優(yōu)的衰減組合對(duì)其衰減.

為了減小誤差，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)組合點(diǎn)，從所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)中選取70種組合，其實(shí)際的透過(guò)率曲線(xiàn)如圖2所示.從圖2可以看出，這70組數(shù)據(jù)在透過(guò)率為1%～100%范圍內(nèi)可以得到逐點(diǎn)遞增的組合;衰減范圍在0～60%數(shù)據(jù)點(diǎn)較密，可以實(shí)現(xiàn)激光能量衰減的細(xì)調(diào);60%～100%范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)能量衰減的粗調(diào).為了保證衰減精度，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡可能工作在其線(xiàn)性范圍段內(nèi)使用.

表2　1 064 nm實(shí)際透過(guò)率Tab.2　1 064 nm actual transmission rate

圖2　70種組合所得到的實(shí)際透過(guò)率曲線(xiàn)Fig.2　70 combinations are obtained by the actual transmittance curve

3.2衰減器工作過(guò)程

衰減系統(tǒng)工作時(shí)，手動(dòng)輸入對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，系統(tǒng)即可自動(dòng)選擇相應(yīng)的衰減模塊對(duì)其進(jìn)行衰減.以波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬10 ns，單脈沖能量400 mJ的高能量激光為例，激光輸出后能量計(jì)接收到激光能量，通過(guò)串口傳輸?shù)侥芰枯斎虢涌谥?，手?dòng)輸入設(shè)定能量值，通過(guò)計(jì)算得到衰減百分比，上位機(jī)通過(guò)串口通信將該數(shù)值傳輸?shù)较挛粰C(jī)，下位機(jī)通過(guò)查找最優(yōu)的衰減組合作為衰減通道，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)衰減盤(pán)旋轉(zhuǎn)，精確的脈沖個(gè)數(shù)可以準(zhǔn)確地控制衰減盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度.為了能夠監(jiān)控衰減盤(pán)的位置，在衰減片旁邊裝置了霍爾傳感器，程序通過(guò)檢測(cè)霍爾電壓的變化可精確控制衰減盤(pán)的初始位置，通過(guò)精確輸入的脈沖個(gè)數(shù)以及輪盤(pán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)采用單一的旋轉(zhuǎn)方向，從而使衰減器具有較高的可重復(fù)性.

3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的衰減系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性，對(duì)衰減系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中1 064 nm和532 nm測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3～4.從表3可以看出，最大的衰減范圍為97.77%,理論衰減與實(shí)際衰減的的最大誤差為2.23%.從表4可以看出,532 nm的最大衰減范圍為97.51%，最大誤差為3.12%，主要原因在于所定制的衰減片主要以1 064 nm為主，因此1 064 nm衰減精度略高.針對(duì)衰減系統(tǒng)的重復(fù)率驗(yàn)證，主要通過(guò)隨機(jī)驗(yàn)證其具體的某一個(gè)衰減等級(jí)，試驗(yàn)中抽取了1 064 nm衰減系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)際衰減點(diǎn)作為驗(yàn)證，其衰減值分別為17.89%，56.19%和85.68%.測(cè)試數(shù)據(jù)表明,衰減系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，見(jiàn)表5.

表3　1 064 nm衰減系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3　Test data of 1 064 nm attenuation system

表4　532 nm衰減系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4　Test data of 532 nm attenuation system

表5　衰減重復(fù)率驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.5　The verification data of repetition rate of decay

4結(jié) 論

通過(guò)1 064 nm和532 nm Nd∶YAG激光器對(duì)所設(shè)計(jì)的衰減系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1) 所設(shè)計(jì)的衰減系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種波長(zhǎng)進(jìn)行衰減.1 064 nm和532 nm的衰減量分別為16.51 dB和15.31 dB，其中1 064 nm的衰減精度略高于532 nm衰減系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.

2) 本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)衰減，但在設(shè)計(jì)上還存在不足之處，針對(duì)所設(shè)計(jì)的衰減范圍線(xiàn)性度仍有待提高；在設(shè)計(jì)時(shí)未曾對(duì)多次表面反射光對(duì)透過(guò)率的影響進(jìn)行分析研究.因此，對(duì)該系統(tǒng)還需更深入的研究.

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(責(zé)任編輯、校對(duì)潘秋岑)

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.001

*收稿日期：2015-12-24

基金資助：科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(2013DFR70620)；陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011K09-39);西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1441(4))

作者簡(jiǎn)介：蘇俊宏(1963-)，男，西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)及理論、光電檢測(cè)及器件.E-mail：sujhong@xatu.edu.cn.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：TH74A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)06-0431-05

Wheel Programmable Multiple Wavelength Laser Energy Attenuator

SUJunhong,NIUYanmin

(School of Optelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:A multi-wavelength laser attenuation is achieved to overcome the shortcoming of common attenuation system achieving attenuation of one wavelength laser only.A neutral density filter is used as the attenuation unit system.The attenuation disks are cascaded for a wide range of attenuation.The entire attenuation is programmable for a fast,accurate attenuation.The use of 532 nm and 1 064 nm Nd∶YAG laser tests the verification.Test results show that the attenuator enables the laser of different wavelengths is attenuated,and has the advantages of reliability,stability and repeatability.It has a simple structure and low cost,compared with conventional attenuators with a single wavelength,small dynamic range of energy change and insufficient linearity and repeatability.

Key words:Nd∶YAG laser;neutral density filter;energy attenuation;multiple wavelength