反射式可调激光衰减器的研究

薛战理，俞 兵，吴 沛，韩占锁，秦 艳，陈 娟，李宏光

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

在激光测距、制导等领域，为了测量测距仪的灵敏度，评判导引系统的作用距离，需要对探测系统所感知的激光能量和功率进行连续衰减，并能准确复现所要求的衰减比；在光通信等普适性光探测活动中，为了测量激光探测器的响应特性，需要对所用激光器的光强进行连续衰减，同样要求能准确复现所需的衰减状态。高准确度衰减比连续可调激光衰减器，正是为满足此类应用而提出的。国内外相关专家在激光衰减器研制领域进行了许多工作，美国NIST（美国国家标准技术研究院）在脉冲激光低能量校准活动中，采用多级反射式楔形分束器作为可变衰减比调整装置［1］，此衰减器衰减比为有限的分立值。NIST研制了一种具有六镜面反射的衰减器［2］，衰减比也为固定值。美国Newport公司利用晶体偏振器件，研制了一种衰减比连续可调的器件［3］。国内北京理工大学高雪松等人提出一种利用多块楔形棱镜衰减器结合中性玻璃衰减器组成的高精度衰减系统，可在一定程度上实现定量衰减［4］。曲阜师范大学刘云安等人利用偏振棱镜和1／4波片，获得了光强连续可调的圆偏振光［5］，该校李国华等人利用偏振干涉原理研制了一种由3个偏光棱镜和1个1／4波片组成的光强连续变化的衰减器［6］。中国计量科学研究院吕正等人利用2块相向移动光楔片，构建了一种双光楔补偿激光衰减器，该器件在使用中要考虑消除相干光干涉条纹的影响［7］。长春理工大学邴昱凯等人利用双棱镜相对运动，实现了对激光束衰减比的调整［8］。第二炮兵工程学院在激光制导武器仿真实验室中，利用漫反射屏产生不同的激光能量［9］。中国工程物理研究院沈志学等人提出了基于液晶的可调激光衰减器，利用液晶电控双折射效应制作出了动态范围较大的激光衰减器已用于波分复用光通信系统研究中［10］。西南师范大学朱少丽提出了一种光纤激光衰减器，利用外置的调节旋钮对衰减比进行调整［11］。可调激光衰减器基本上有3种工作模式：1）基于光学材料光吸收效应产生的衰减；2）基于连续反射所产生的光衰减；3）基于光学偏振效应的光衰减。目前大多数激光衰减器在光场均匀性、光束宽度、损伤阈值、偏振性、动态范围、衰减精度等方面存在着一定程度的不足，为提高可调激光衰减器的综合性能，本文提出了一种反射式连续可调激光衰减器。该型衰减器基于斜入射时不同入射角偏振激光光波在介质分界面具有不同反射率的原理，对入射光的功率或能量进行衰减，动态衰减范围较大，利用伺服电机对入射角进行精确控制从而实现高准确衰减比的连续调整。

1 反射式可调激光衰减器的组成及工作原理

反射式可调激光衰减器用于实现激光功率／能量的准确控制，衰减器由I级、II级衰减组件、伺服电机、反射光吸收阱、角度传感器、壳体组成，图1为其结构示意图。每级衰减组件包括一个主衰减片和一个补偿衰减片，4个衰减片可围绕各自的中线旋转360°，每个衰减片垂直固定在主、从动齿轮驱动机构上。主动齿轮通过减速箱与伺服电机相连，伺服电机的转角通过外置的编码盘进行测量，测量值为绝对角度值。为提高角度的控制精度，在电机内部配备有17位的绝对码盘，利用计算机控制系统对衰减片的转动角进行测控。

图1 反射式可调激光衰减器结构示意图Fig.1 Schematic of reflective adjustable laser attenuator

反射式可调激光衰减器中的主要光学零件为主衰减片和补偿衰减片。在衰减片的两面根据波长要求镀制专用的反射膜和增透膜，总膜系由N层单膜组成，整个膜系的特征矩阵M是个单层膜特征矩阵的连乘积［12］：

A、B、C、D为M 的矩阵元，则整个膜系的反射系数和透射系数分别为

式中η为介质的有效导纳。若入射角为θi1，则S偏振光的偏振光的

由公式（2）、（3）可以看出，若入射光波的偏振态确定，则衰减片的反射系数和透射系数随着入射角的不同而变化。为了使衰减器的透射系数连续可调，只要在一定的角度范围内连续控制衰减片的旋转即可，这正是斜入射偏振光波在介质分界面上具有不同反射率原理的工程应用。

衰减片是在玻璃上镀制多层介质反／透射膜后形成的，膜系的厚度和面密度均匀，从而减小对光束波前相位的影响。入射光波经过衰减片后，会发生图2所示的横向光束偏移现象。

图2 主、补偿衰减片光束偏移补偿原理Fig.2 Compensation principle of attenuators

若光束的入射角为θi1，入射光通过厚度为t的基片后，光束横向移动量D由公式（4）给出［13］：

式中n是基片的折射率。为了补偿横向光束偏移，在主衰减片后方再增加一个补偿衰减片，主、补偿衰减片的旋转方向相反，转动角速率相同，在装配时，应严格保证零位时两者之间的平行性，以保证入射光经过本衰减器后不会发生空间位置偏移，避免因空间位置偏移导致的入射光位相变化。

为了提高主、补偿衰减片的同步重复定位精度，必须消除齿轮传动机构的零回差，在主、从动齿轮系中设置了专门的消回差机构，消除齿轮系的回差。主、补偿衰减片的连续旋转，使得透射光束的衰减倍率连续变化，由此实现连续可变衰减；同时，主、补偿衰减片的旋转角度被精确控制，从而可以精确实现用户或当前使用条件所要求的衰减倍率。

入射光线经衰减片前表面的反射光是一种非常有害的杂散光，如果不能对反射光进行有效吸收，将对主光束造成极大的干扰。为此，在I级和II级衰减组件的侧面加装反射光吸收阱，图3为吸收阱的局部示意图。

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

吸收阱主体包括若干个圆锥形吸收单元，在每个单元的内壁上涂覆吸收系数较大的材料，吸收材料的选取要考虑激光的波长。每个吸收单元的孔径面积为S，内表面面积为ST，孔径法线方向与腔体同深度的球体表面面积为Sg，吸收单元腔壁涂覆材料的吸收率为α，根据Gouff计算法则［14］，吸收单元的有效吸收率：

吸收单元半径R与腔长l的比值越小越好，考虑到可调激光衰减器的纵横比，l的取值不宜太大，因而就必须缩小吸收单元的口径。通过多次实践证明：l／R的值在6～10之间可以获得较好的吸收效果。如果取R＝5mm，l＝30mm，吸收单元内所涂覆材料的吸收系数为0.9，经计算，吸收单元的有效吸收率αC＝0.99，这样约有1%的反射光形成了腔体的杂散光，此杂散光若照射到衰减片上将引起衰减片的二次反射，再次被吸收阱吸收了，若上述杂散光直接进入衰减器另一侧的吸收阱，也可被二次有效吸收。根据衰减片的有效转动角度，可将吸收阱设计成2组弧形布局，弧形各点的法线方向尽量与衰减片反射光的方向相匹配，这样可以有效地吸收反射光。

2 衰减比的校准方法

根据偏振态光波入射角度不同来确定反射式可调激光衰减器的透过率，该透过率的倒数是衰减器的衰减比，衰减器在使用中必须校准衰减比，图4为衰减比校准原理图。欲准确校准衰减比，必须解决好2个关键参量的精确测量，一个是激光能量或功率，另一个是衰减片的旋转角度。

图4 反射式可调激光衰减器衰减比校准原理图Fig.4 Calibration principle for attenuation ratio of reflective adjustable attenuator

衰减器用于激光连续功率测量时，在衰减比校准回路中，利用稳功率仪对激光器的输出功率进行控制；衰减器用于脉冲激光能量和峰值功率测量时，在衰减比校准装置中增加分束器件，利用监视激光能量计同步监测激光能量的变化。

影响衰减比校准的第2个因素是光束入射角的确定。衰减器内衰减片的旋转角度由伺服电机驱动实现，伺服电机内部配有17位的绝对编码器，以保证伺服电机的高精度稳定运转。衰减片的旋转角度由外置的圆光栅编码器进行测量，编码器的测量精度为0.3′。实际校准时，首先确定需要的衰减范围，根据衰减前后功率或能量的实际测量值，利用经标定的分束镜和激光能量／功率计，现场完成衰减比的在线校准，相关量值必须处于计量受控状态。

3 结果及分析

根据反射式可调激光衰减器的工作原理，结合普适性激光测量的要求，我们设计了一款工作于1.06μm激光波长的衰减器，衰减片的尺寸为60mm×60mm，吸收阱吸收单元为锥形，开口直径10mm，深30mm，吸收单元沿一弧形排开，分布在衰减片的两侧。在衰减器内的8个反／透射面镀制介质膜，以使S光波在特定入射角时具有特定的透射率。

采用图4所示的装置测量衰减比，激光器的工作频率为3 000Hz，脉冲宽度150ns，激光能量为0.5μJ，激光经FC／PC光纤输出，在光纤出口端放置一个扩束准直透镜组，使出射激光束直径为6mm左右，准直镜后放置1／2波片（1.06μm）和偏振器，以形成S和P方向的偏振光，本例选用S偏振光。为了获得高质量的S偏振光，采用美国Newport公司的10RP系列1／2波片、10GT系列棱镜分束器，分束镜的分束比为50／50，利用Laser probe公司的双通道RJ7620激光辐射计作为标准能量计，根据激光能量要求配以适当的能量探头，能量计由步进电机驱动机构进行定位操作。实施具体测量之前，利用能量计等仪器设备将1／2波片、偏振棱镜、分束镜调整至最佳工作状态。

衰减器衰减比测量工作由Attmea软件进行操控、计算和分析。该软件包括电机（伺服电机、步进电机）驱动、转角测量、数据采集、衰减比、光密度计算等功能模块，负责激光发射、驱动机构动作、测量结果分析和显示等功能的实现。

利用2套交流伺服电机及减速机构，结合角度编码器驱动衰减片的转动，进而实现对光束入射

式中T为衰减器的透射率。

图5为衰减器透过率的实际测量值。不难看出，S偏振的光波入射角在0°～50°范围内时，衰减器的透过率变化不明显；入射角在50°～90°范围内时，透过率发生显著变化，入射角在85°时，透过率仅为0.85×10－5，衰减比k＝11 764，光密度OD＝4.07。入射角在85°～90°范围内时，由于衰减片本身厚度的影响，衰减片挡掉了部分甚至全部的入射光，因而衰减器处于非工作状态。在0°～85°的有效工作角度内，最大光学密度为4.07，图6为光密度曲线。角的控制，在0°～90°范围内角度分辨率优于1"，重复定位精度优于6"。

从0°入射角开始连续改变衰减片的旋转角度，测量衰减器的透射率，计算出衰减器的衰减比和等效的光学密度（OD）值，OD值的计算公式如下：

图5 衰减器透过率校准曲线ig.5 Curve for calibrated transmittance of attenuator

图6 衰减器的光密度曲线Fig.6 Curve for equivalent optic density of attenuator

反射式可调激光衰减器内衰减片的基材为厚度均匀的光学玻璃。如果入射光是会聚或者发散的激光束，则会产生一定程度的像差，影响后续光学系统的成像或探测性能。因而此型衰减器对准直激光束进行衰减时，对传输的光波未产生明显的影响。为了评价此型衰减器对光束质量的影响，我们利用美国Newport公司的200S光束质量分析仪对衰减前后的激光光束M2系数进行了测量，测量装置与图4所示基本相同，将激光能量计更换为M2－200S，再配以适当的同步触发信号。

实际测量时将光束的入射角调整到70°，此时衰减比为7.5，合理选取M2－200S中的衰减组件，使其内的CCD形成清晰的光束轮廓像。未加衰减时，激光束的＝1.015，＝1.018，经过衰减器衰减后，＝1.020，＝1.025。改变衰减器中入射角的大小，M2没有出现明显的变化。实验证明，反射式可调激光衰减器对准直激光束光束质量没有产生明显的影响。

利用大功率连续激光器和大能量脉冲激光器，对反射式可调激光衰减器的损伤阈值进行了测量，将输出功率1W～120W、波长为1 064nm的激光器输出光斑准直到Φ6mm～Φ10mm，利用激光功率计测量了衰减器的透过率，其范围为8.5×10－5～1；经激光辐射计测量，此型衰减器的损伤阈值为100W／cm2（连续）、0.1J／cm2（10ns脉冲）。

4 结论

基于斜入射偏振光在介质薄膜表面不同反射率原理，研制的反射式可调激光衰减器，由于其特殊的结构特征，不影响入射光波的位相特性，不会产生波前畸变现象，经过激光光场质量分析仪的检查，该型衰减器对激光束光场均匀性没有明显的影响。实际使用中，为提高衰减器对激光波长的适应性，根据需衰减的激光波长，可选配不同的衰减片组，如果对会聚和发散激光束进行衰减，则存在像差，这是该型衰减器使用中需要注意的事项。

衰减器中的吸收阱，对反射光的吸收程度，影响着衰减器最终的衰减效果。为提高衰减器的使用效果，吸收阱内吸收单元几何形状、尺寸、涂覆材料的选择需要不断地进行完善和改进，重点应考虑入射角处于50°～85°时反射光的吸收问题。衰减片厚度的设定必须充分考虑较大入射角对光束的横向剪切问题。

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