轮盘式程控多波长激光能量衰减器的研制*

苏俊宏，牛燕敏

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)



轮盘式程控多波长激光能量衰减器的研制*

苏俊宏，牛燕敏

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

摘要：针对常用的衰减系统仅能实现一种波长的衰减，设计了一种可实现多波长衰减的程控衰减方法.采用中性密度滤光片作为衰减系统的衰减单元，衰减盘之间通过级联实现宽范围衰减，整个衰减过程通过程序控制及相关算法精确查找，使其具有快速、精确的衰减.使用532 nm和1 064 nm Nd∶YAG激光器进行试验验证.实验结果表明：该衰减器可实现对不同波长的衰减，衰减范围宽,且具有可靠的稳定性和可重复性.与传统的衰减器相比，它解决了衰减波长单一,能量变化动态范围小,线性度不好以及重复性不高等问题，具有结构简单，成本低等优点.

关键词：Nd∶YAG激光器；中性密度滤光片；能量衰减；多波长

随着科技的不断创新发展，衰减器作为高功率激光系统中必不可少的测试仪器之一，测试系统对其要求也越来越高.目前，常见的衰减器件有光楔、光栅和吸收性衰减片等.光衰减器要求重量轻、体积小、精度高、稳定性好和使用方便等.理想的光衰减器应只改变入射光束的振幅,不影响其几何特性(束宽、发散角等)、位相、光谱分布、偏振态和时间特性，还应具有动态范围广、光谱区域宽和复现性好等特点，其光学和机械结构越简单越好[1].衰减器主要要求是插入损耗低、回波损耗高、分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减精度高、器件体积小及环境性能好[2].

在衰减器设计方面，目前国内设计方法主要有机械式调光阑法、光电技术调光法、晶体吸收法、偏振衰减法和吸收式衰减片等[3-5]，这些方法绝大部分以机械式为主，结构设计相对简单，但是存在很多弊端，如无法实现精确衰减及自动化控制.国外所设计的衰减器主要有两种设计原理：① 基于内反射原理的靠改变间隙和透射厚度的双直角棱镜对,其缺点是衰减梯度太大,衰减比的复现精度难以保证,且对光谱太敏感[6-7]；② 基于菲涅尔原理的旋转光楔对,它的动态范围可达35 dB,可以承受较高的衰减能量,衰减后激光束的漂移和偏转较小,但缺点是对偏振敏感,且机械结构复杂[8].依据激光能量衰减系统测试的要求，理想的衰减系统要能够实现线性宽范围衰减，需要得到不同能量等级的激光能量，这就要求激光能量能有规律地按不同能级进行变化.要实现激光能量的衰减，最简单的办法是通过光学衰减片，将其放置在光路中，将光强衰减.对于激光损伤测试系统而言，衰减片不能改变激光分布，也不能产生多次反射以造成干扰.通常能够实现这两个条件的光学衰减片可由两种方式获得：① 在光学石英玻璃上沉积薄膜，但是由于衰减器要多次遭受强激光的辐照，采用光学镀膜的方式制备符合要求的薄膜技术难度大，使用寿命较为有限；② 选择中性滤光玻璃，由于光通过中性衰减片之后，不同波长的光强均按同一比例衰减，因此不会对通过激光的能量分布造成影响.但是，中性滤光片也存在明显的不足，中性滤光片对光的吸收不仅与所选材料有关，也与材料厚度有密切关系[9].通常中性玻璃的光通量是通过调节其厚度来确定的.本文在常用的机械式衰减器基础之上，通过相关算法和设计，使得衰减器能够实现多波长，宽范围的程控智能化衰减.

1衰减器的光学原理

设计采用了衰减片(中性密度滤光片)进行大幅度衰减来满足使用要求.激光通过固定的衰减片只能进行固定的大幅度衰减，为达到更精确的衰减，需将不同透过率的衰减片进行级联.不同种类的中性玻璃衰减系数不同,相同种类、不同厚度的衰减片其吸收能力也不同.朗伯吸收定律表达式为

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

(1)

式中：A为吸光度(或光密度)；I0、I分别为入射光和透过衰减片之后的透射光强；T为透过率.由此可知，不同透过率的衰减片之间进行自由组合就会得到精确而连续的衰减量.

组合透过率理论计算表达式为

T=I/I0

(2)

η=1/T

(3)

其中η为衰减率.设1#、2#和3#衰减盘上衰减片透过率依次为k1m、k2m和k3m(m取值1～5)，因衰减片是级联关系，所以其组合透过率Ti为

Ti=k1m·k2m·k3m(i取1～125)

(4)

η=1/(k1m·k2m·k3m)

(5)

由此可知其衰减范围为

-10lgTmindB≤β≤-10lgTmaxdB

(6)

以分贝数表示的衰减率

β=10logη=- 10logT

2衰减器设计方案

2.1设计要求

考虑成本及其他综合因素，本方案选择了中性滤光玻璃作为衰减片，通过外联加工不同衰减倍率的衰减片，通过其相互组合匹配获得不同衰减倍率，从而实现了激光能量的近线性调整.对于多波长衰减，衰减器应实现不同波长衰减，组合透过率衰减范围设计0～100%，误差为5%.同时，三组衰减盘在级联时，激光应能够准直入射三组衰减片，从而保证系统的稳定性和可重复性.

2.2机械结构设计

为了实现激光能量的自动化调整，设计了可实现程序控制的轮盘式激光衰减器，其工作原理如图1所示.轮盘式程序控制衰减器由三组单独的轮盘式程控衰减器组合而成.每组程控衰减器均包含步进电机、支架台、衰减片轮盘卡槽和四个不同衰减倍率的衰减片.步进电机通过电机控制卡接收来自工控机的控制命令，通过支架台内部的齿轮转动装置，带动衰减器轮盘卡槽的工位，每一个圆形轮盘卡槽均设定有5个孔位(编号为1,2,3,4和5)，沿着轮盘卡槽的圆周方向均匀开有5个直径∅50 mm的卡槽孔，这5个孔除一个空置外，其余均安装有不同衰减倍率的衰减片.当电机转动在不同工位时，此时三组衰减片组合在一起形成一个新的衰减倍率，三组衰减片便形成了125种组合.

图1　轮盘式程序控制衰减器结构示意图Fig.1　Roulette program control attenuator schematic diagram

3实验结果与讨论

3.1衰减范围设计

利用Matlab软件，对这三组12个衰减片(注：不含每组程控衰减器的空置工位)的衰减倍率(透过率)进行曲线拟合，通过拟合的曲线更换某些衰减片透过率对线性度进行优化[9]，从而得到一条线性度较好的理论组合.

根据理论设计的衰减范围，定制加工相应的衰减片，但是由于现有的中性衰减片玻璃的加工水平很难得到符合设计需要的中性衰减玻璃(通常其加工误差在5%左右)，因此只能通过加工的具体中性衰减玻璃来进行衰减片的组合.532 nm和1 064 nm实际的衰减片组合见表1～2.

表1　532 nm实际透过率Tab.1　532 nm actual transmission rate

从实际的透过率表中可以看出，不同波长的透过率在同一滤光片作用下存在一定的差异，因此针对不同中心波长的激光，衰减系统会选择其对应的衰减程序进行衰减，从而实现对不同波长之间的衰减.在衰减时，若所需衰减的倍率不存在，程序会自动查找其最优的衰减组合对其衰减.

为了减小误差，进一步减少数据组合点，从所设计的数据点中选取70种组合，其实际的透过率曲线如图2所示.从图2可以看出，这70组数据在透过率为1%～100%范围内可以得到逐点递增的组合;衰减范围在0～60%数据点较密，可以实现激光能量衰减的细调;60%～100%范围内可以实现能量衰减的粗调.为了保证衰减精度，测试时应尽可能工作在其线性范围段内使用.

表2　1 064 nm实际透过率Tab.2　1 064 nm actual transmission rate

图2　70种组合所得到的实际透过率曲线Fig.2　70 combinations are obtained by the actual transmittance curve

3.2衰减器工作过程

衰减系统工作时，手动输入对应的中心波长，系统即可自动选择相应的衰减模块对其进行衰减.以波长为1 064 nm，脉宽10 ns，单脉冲能量400 mJ的高能量激光为例，激光输出后能量计接收到激光能量，通过串口传输到能量输入接口中，手动输入设定能量值，通过计算得到衰减百分比，上位机通过串口通信将该数值传输到下位机，下位机通过查找最优的衰减组合作为衰减通道，由步进电机驱动衰减盘旋转，精确的脉冲个数可以准确地控制衰减盘的旋转角度.为了能够监控衰减盘的位置，在衰减片旁边装置了霍尔传感器，程序通过检测霍尔电压的变化可精确控制衰减盘的初始位置，通过精确输入的脉冲个数以及轮盘在旋转时采用单一的旋转方向，从而使衰减器具有较高的可重复性.

3.3实验验证

为了验证设计的衰减系统的稳定性及可重复性，对衰减系统进行了大量的实验验证，其中1 064 nm和532 nm测试数据见表3～4.从表3可以看出，最大的衰减范围为97.77%,理论衰减与实际衰减的的最大误差为2.23%.从表4可以看出,532 nm的最大衰减范围为97.51%，最大误差为3.12%，主要原因在于所定制的衰减片主要以1 064 nm为主，因此1 064 nm衰减精度略高.针对衰减系统的重复率验证，主要通过随机验证其具体的某一个衰减等级，试验中抽取了1 064 nm衰减系统的三个实际衰减点作为验证，其衰减值分别为17.89%，56.19%和85.68%.测试数据表明,衰减系统具有可靠的稳定性和可重复性，见表5.

表3　1 064 nm衰减系统测试数据Tab.3　Test data of 1 064 nm attenuation system

表4　532 nm衰减系统测试数据Tab.4　Test data of 532 nm attenuation system

表5　衰减重复率验证数据Tab.5　The verification data of repetition rate of decay

4结 论

通过1 064 nm和532 nm Nd∶YAG激光器对所设计的衰减系统实验验证，得出以下结论：

1) 所设计的衰减系统能实现对多种波长进行衰减.1 064 nm和532 nm的衰减量分别为16.51 dB和15.31 dB，其中1 064 nm的衰减精度略高于532 nm衰减系统.实验验证了该系统具有较好的稳定性和可重复性.

2) 本系统能够实现对不同波长衰减，但在设计上还存在不足之处，针对所设计的衰减范围线性度仍有待提高；在设计时未曾对多次表面反射光对透过率的影响进行分析研究.因此，对该系统还需更深入的研究.

参 考 文 献：

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(责任编辑、校对潘秋岑)

【相关参考文献链接】

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

*收稿日期：2015-12-24

基金资助：科技部国际合作项目(2013DFR70620)；陕西省科技计划项目(2011K09-39);西安市科技计划项目(CXY1441(4))

作者简介：苏俊宏(1963-)，男，西安工业大学教授,主要研究方向为光电技术及理论、光电检测及器件.E-mail：sujhong@xatu.edu.cn.

文献标志码:中图号：TH74A

文章编号：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