采用精密电动位系统的激光能量衰减器

关春雨，虞舒琬，王 莹

（1.沈阳理工大学 理学院光电信息科学与工程，辽宁 沈阳 110158；2.沈阳极束精密光学有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引 言

随着高能激光的广泛应用，激光的调制和安全问题引起了人们的重视。在激光应用系统中，通常需要将激光功率通过衰减器衰减后才能进行使用或测量。同样，在激光薄膜损伤阈值研究领域，对激光能量的衰减控制是重要的器件之一。激光衰减器的作用是在激光能量强时将衰减器推进光路，实现光强的衰减；在激光能量弱时退出光路，不衰减光强[1]。

激光衰减器的种类多种多样，随着激光器的不断发展，激光能量衰减器的需求越来越大，各类研究报告层出不穷。据不完全统计，在2019—2021 年，在百度学术上发表的有关“激光衰减器”的报告有151 份；而1975—2021 年间，中国知网上发表的有关“激光衰减器”的学术期刊和学术论文共113 份。可见激光衰减器虽然是新出现的光学元件，百度百科在2015 年才记录这个新名词，但通过各类研究人士的不断探索，这个产品领域已经迎来了它的发展高峰期。全球现有的生产厂家有Agiltron、Trimatiz、Lightwaves2020、EpiPhotonics、Boston Applied Technologies、Mellanox、Adamant Namiki Precision Jewel 等。

现有的中国产激光衰减器多用手动调整，系统内空回较大，降低了系统的精准度；未采用全密封设计，灰尘容易进入，对系统的可靠性产生影响，且占用空间较大。基于这种情况，文章设计了一种激光衰减器，基于偏振原理，通过闭环伺服电机精确控制来改变输入本激光衰减器的光强，从而达到控制输出激光的能量的目的。

1 总体设计方法

该衰减器由一个精密电动位系统和一组偏振光学元件组成，如图1 所示。其中，偏振光学元件由布儒斯特角放置的水平偏振片和可绕法线旋转的半波片组成，在布儒斯特角放置的偏振分光片前放入一个可绕其法线方向旋转的λ/2 波片，利用步进电机带动λ/2 波片围绕法线方向旋转，让入射光束2 个偏振分量的分解比发生改变，从而改变其通过组合装置的透过率，达到出射光能量衰减的目的[2-4]。

图1 衰减器原理

1.1 中空轴步进电机

中空轴步进电机是利用电磁铁的工作原理，将电脉冲转化为角位移。详细地说，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它可以驱动步进电机在某个规定的方向上旋转一定的角度。同时，步进电机驱动器不仅可以通过控制脉冲信号的数量，从而控制角位移的大小，实现精确定位，还可以通过控制脉冲信号的频率来控制电机转动的速度和加速度，以达到速度控制的目的。

近年来，步进电机在数字控制系统中变得非常普遍。因为其固有的特性使其可以直接接收数字信号，不必进行相应的数模转换，所以效率得到了大大提升。在机械部件控制中，它不仅可以直接通过丝杠，将角度转换成相对应的线性位移，还可以通过调节电流或电压来驱动螺旋电位器的工作，获得对被控对象的精确控制[5]。

本激光衰减器中，中空轴步进电机与激光入射孔同轴放置在偏振镜片固定筒内，镜筒前部的内径与起偏振镜片的外径配合，套装在起偏振镜片外，后部的内径与中空轴步进电机的中空轴外径配合，套装在中空轴的前端。步进电机中，空轴内腔围绕法线方向旋转时，就可以带动半波片旋转。通过中空轴步进电机，可以减少电机转动的空回，提高系统精度。

1.2 电机驱动系统

通过电机准确控制起偏振镜片角度可以实现连续的输出能量衰减，激光在起偏振镜片与检偏振镜片之间进行二次衰减后到达需要的能量大小[6]。利用上位机软件及电机驱动器可以实现对衰减倍率进行设置、读取以及显示等。

磁铁安装架为圆筒形结构，套装在中空轴步进电机的中空轴的后部，磁铁块固定在磁铁安装架内壁的凹槽内，且不与中空轴步进电机的中空轴直接接触；霍尔开关安装架固定在中空轴步进电机的后壁上；零点霍尔开关固定在霍尔开关安装架上，并通过导线与磁铁块连接；电机驱动控制器包括驱动器和控制器，固定在驱动控制器固定结构上，其中驱动器驱动中空轴步进电机工作，控制器通过导线与零点霍尔开关连接，控制驱动器工作。

1.3 上位机界面设计

衰减系统的自动化控制主要由上位机发送相应指令给下位机实现，上位机设计的可视化界面如图2所示。

图2 衰减系统调试界面

上位机系统接收相关数据，计算出合适的衰减百分比，并通过串口通信程序发送指令到下位机，下位机收到指令后找到最适合的衰减组合作为衰减通道，此时步进电机驱动半波片进行旋转，精确的脉冲信号个数可以准确控制半波片的旋转角度。另外，为了可以监控半波片的位置并确保系统的高重复性，霍尔传感器被置于空心轴步进电机的后壁。程序通过检测霍尔电压的变化，来确定控制半波片的最初位置，由于输入的脉冲信号个数是确定的，这样可以使衰减器具有较高的重复性[7]。

1.4 光学偏振镜片

偏振元件的特点是只允许沿偏振元件透振方向的光通过，而垂直于透振方向的光则被衰减。通过偏振元件的光，其光强满足马吕斯定律。根据这一基础定律，可以使用高精度电机带动偏振器件旋转至一定角度，并以适当的方式标定角度与衰减系数之间的关系。

本衰减器的起偏振片为双折射晶体做成的半波片，它可以使入射的光线产生π 奇数倍的相位延迟，通过半波片的线偏振光仍然为线偏振光。若入射线偏振光的振动方向与波片快轴夹角为α，则出射线偏振光的振动方向向着快轴（或慢轴）方向转过2α角，圆偏振光入射时，则出射光为旋向相反的圆偏振光；检偏振片是由布儒斯特角放置的偏振分光片，光在此界面上发生反射、折射时，反射光只有s 光没有p 光，打在上方的陶瓷片上，消散了能量；而折射光由激光出射孔射出，这样就实现了分光。

本衰减器中，检偏振镜片固定在固定架上，随固定板的移动而移动；通过三顶三拉结构调节固定板与起偏振镜片的相对角度，进而调整检偏振镜片与起偏振镜片的法线夹角。优选检偏振镜片与起偏振镜片的法线夹角为56°，三顶三拉的连接形式采用3 个顶起弹簧螺钉和3 个牵拉螺钉。装置使用时，控制电机执行需要的衰减倍率对应的角度值或码值，当2 个偏振镜片中间的步进电机中空轴内腔围绕法线方向旋转时，就能改变激光光束的2 个偏振分量的分解比，从而改变激光通过组合装置的透过率，即可实现对激光能量的连续、动态衰减[8]。

2 精度测试

2.1 控制精度测试

从系列产品中随机抽样的测试结果如表1 所示，以此作为测试示例。改变衰减率的大小，实时检测通过衰减器后的激光能量大小，取10 次测试能量的平均值，并将测试结果与理论值进行比较，作出能量随衰减率的变化曲线如图3 所示。

表1 控制精度测试数据

图3 能量随衰减率的变化曲线

当激光衰减率为52%时，理论激光能量为25.2048 mJ，实测能量值为25.32 mJ；当激光衰减率为68%时，理论激光能量为16.8032 mJ，实测能量值为16.67 mJ。若不考虑激光器稳定性的影响，激光能量衰减偏差在微焦级别。

2.2 重复性测试

图4 为从系列产品中随机抽样的测试结果，以此作为测试范例。在重复性测试中，采用电机转动步数为自变参量，并监测通过衰减器后的激光能量（衰减率和波片的转动角度有关，而转动角度是通过步进电机的转动步数来控制）测试曲线示例。

图4 通过衰减器后的激光能量测试曲线

通过该曲线可看出，第一、二、三次测试曲线基本吻合，体现该样机系统精度高、衰减系统可靠。主要精度参数如表2 所示。

表2 本产品主要精度参数

从表2 数据可以看出，本激光衰减器解决现有技术中衰减器系统精度较差、可靠性较低以及占用空间大的技术问题，同时具有抗损伤阈值高、使用温度环境宽等特点。

3 结 论

在技术水平上，本激光衰减器通过精密中空轴伺服步进电机，减少了电机转动的空回，提高了系统精度；可利用软件控制，有可视化界面，操作简便；具有高的抗损伤阈值、使用温度环境宽；采用全密封设计，减少了灰尘对系统的影响，提高了可靠性，且节约了空间，使整个系统体积小巧、便于应用。在此内容基础上，本产品的性能与其他衰减器相比也更为精密。因此，本产品在需要激光功率均衡或光强衰减的各种领域中具有重要的应用价值。