采用精密電動位系統的激光能量衰減器

關春雨，虞舒琬，王 瑩

（1.沈陽理工大學 理學院光電信息科學與工程，遼寧 沈陽 110158；2.沈陽極束精密光學有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

隨著高能激光的廣泛應用，激光的調制和安全問題引起了人們的重視。在激光應用系統中，通常需要將激光功率通過衰減器衰減后才能進行使用或測量。同樣，在激光薄膜損傷閾值研究領域，對激光能量的衰減控制是重要的器件之一。激光衰減器的作用是在激光能量強時將衰減器推進光路，實現光強的衰減；在激光能量弱時退出光路，不衰減光強[1]。

激光衰減器的種類多種多樣，隨著激光器的不斷發展，激光能量衰減器的需求越來越大，各類研究報告層出不窮。據不完全統計，在2019—2021 年，在百度學術上發表的有關“激光衰減器”的報告有151 份；而1975—2021 年間，中國知網上發表的有關“激光衰減器”的學術期刊和學術論文共113 份。可見激光衰減器雖然是新出現的光學元件，百度百科在2015 年才記錄這個新名詞，但通過各類研究人士的不斷探索，這個產品領域已經迎來了它的發展高峰期。全球現有的生產廠家有Agiltron、Trimatiz、Lightwaves2020、EpiPhotonics、Boston Applied Technologies、Mellanox、Adamant Namiki Precision Jewel 等。

現有的中國產激光衰減器多用手動調整，系統內空回較大，降低了系統的精準度；未采用全密封設計，灰塵容易進入，對系統的可靠性產生影響，且占用空間較大。基于這種情況，文章設計了一種激光衰減器，基于偏振原理，通過閉環伺服電機精確控制來改變輸入本激光衰減器的光強，從而達到控制輸出激光的能量的目的。

1 總體設計方法

該衰減器由一個精密電動位系統和一組偏振光學元件組成，如圖1 所示。其中，偏振光學元件由布儒斯特角放置的水平偏振片和可繞法線旋轉的半波片組成，在布儒斯特角放置的偏振分光片前放入一個可繞其法線方向旋轉的λ/2 波片，利用步進電機帶動λ/2 波片圍繞法線方向旋轉，讓入射光束2 個偏振分量的分解比發生改變，從而改變其通過組合裝置的透過率，達到出射光能量衰減的目的[2-4]。

圖1 衰減器原理

1.1 中空軸步進電機

中空軸步進電機是利用電磁鐵的工作原理，將電脈沖轉化為角位移。詳細地說，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號時，它可以驅動步進電機在某個規定的方向上旋轉一定的角度。同時，步進電機驅動器不僅可以通過控制脈沖信號的數量，從而控制角位移的大小，實現精確定位，還可以通過控制脈沖信號的頻率來控制電機轉動的速度和加速度，以達到速度控制的目的。

近年來，步進電機在數字控制系統中變得非常普遍。因為其固有的特性使其可以直接接收數字信號，不必進行相應的數模轉換，所以效率得到了大大提升。在機械部件控制中，它不僅可以直接通過絲杠，將角度轉換成相對應的線性位移，還可以通過調節電流或電壓來驅動螺旋電位器的工作，獲得對被控對象的精確控制[5]。

本激光衰減器中，中空軸步進電機與激光入射孔同軸放置在偏振鏡片固定筒內，鏡筒前部的內徑與起偏振鏡片的外徑配合，套裝在起偏振鏡片外，后部的內徑與中空軸步進電機的中空軸外徑配合，套裝在中空軸的前端。步進電機中，空軸內腔圍繞法線方向旋轉時，就可以帶動半波片旋轉。通過中空軸步進電機，可以減少電機轉動的空回，提高系統精度。

1.2 電機驅動系統

通過電機準確控制起偏振鏡片角度可以實現連續的輸出能量衰減，激光在起偏振鏡片與檢偏振鏡片之間進行二次衰減后到達需要的能量大小[6]。利用上位機軟件及電機驅動器可以實現對衰減倍率進行設置、讀取以及顯示等。

磁鐵安裝架為圓筒形結構，套裝在中空軸步進電機的中空軸的后部，磁鐵塊固定在磁鐵安裝架內壁的凹槽內，且不與中空軸步進電機的中空軸直接接觸；霍爾開關安裝架固定在中空軸步進電機的后壁上；零點霍爾開關固定在霍爾開關安裝架上，并通過導線與磁鐵塊連接；電機驅動控制器包括驅動器和控制器，固定在驅動控制器固定結構上，其中驅動器驅動中空軸步進電機工作，控制器通過導線與零點霍爾開關連接，控制驅動器工作。

1.3 上位機界面設計

衰減系統的自動化控制主要由上位機發送相應指令給下位機實現，上位機設計的可視化界面如圖2所示。

圖2 衰減系統調試界面

上位機系統接收相關數據，計算出合適的衰減百分比，并通過串口通信程序發送指令到下位機，下位機收到指令后找到最適合的衰減組合作為衰減通道，此時步進電機驅動半波片進行旋轉，精確的脈沖信號個數可以準確控制半波片的旋轉角度。另外，為了可以監控半波片的位置并確保系統的高重復性，霍爾傳感器被置于空心軸步進電機的后壁。程序通過檢測霍爾電壓的變化，來確定控制半波片的最初位置，由于輸入的脈沖信號個數是確定的，這樣可以使衰減器具有較高的重復性[7]。

1.4 光學偏振鏡片

偏振元件的特點是只允許沿偏振元件透振方向的光通過，而垂直于透振方向的光則被衰減。通過偏振元件的光，其光強滿足馬呂斯定律。根據這一基礎定律，可以使用高精度電機帶動偏振器件旋轉至一定角度，并以適當的方式標定角度與衰減系數之間的關系。

本衰減器的起偏振片為雙折射晶體做成的半波片，它可以使入射的光線產生π 奇數倍的相位延遲，通過半波片的線偏振光仍然為線偏振光。若入射線偏振光的振動方向與波片快軸夾角為α，則出射線偏振光的振動方向向著快軸（或慢軸）方向轉過2α角，圓偏振光入射時，則出射光為旋向相反的圓偏振光；檢偏振片是由布儒斯特角放置的偏振分光片，光在此界面上發生反射、折射時，反射光只有s 光沒有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，這樣就實現了分光。

本衰減器中，檢偏振鏡片固定在固定架上，隨固定板的移動而移動；通過三頂三拉結構調節固定板與起偏振鏡片的相對角度，進而調整檢偏振鏡片與起偏振鏡片的法線夾角。優選檢偏振鏡片與起偏振鏡片的法線夾角為56°，三頂三拉的連接形式采用3 個頂起彈簧螺釘和3 個牽拉螺釘。裝置使用時，控制電機執行需要的衰減倍率對應的角度值或碼值，當2 個偏振鏡片中間的步進電機中空軸內腔圍繞法線方向旋轉時，就能改變激光光束的2 個偏振分量的分解比，從而改變激光通過組合裝置的透過率，即可實現對激光能量的連續、動態衰減[8]。

2 精度測試

2.1 控制精度測試

從系列產品中隨機抽樣的測試結果如表1 所示，以此作為測試示例。改變衰減率的大小，實時檢測通過衰減器后的激光能量大小，取10 次測試能量的平均值，并將測試結果與理論值進行比較，作出能量隨衰減率的變化曲線如圖3 所示。

表1 控制精度測試數據

圖3 能量隨衰減率的變化曲線

當激光衰減率為52%時，理論激光能量為25.2048 mJ，實測能量值為25.32 mJ；當激光衰減率為68%時，理論激光能量為16.8032 mJ，實測能量值為16.67 mJ。若不考慮激光器穩定性的影響，激光能量衰減偏差在微焦級別。

2.2 重復性測試

圖4 為從系列產品中隨機抽樣的測試結果，以此作為測試范例。在重復性測試中，采用電機轉動步數為自變參量，并監測通過衰減器后的激光能量（衰減率和波片的轉動角度有關，而轉動角度是通過步進電機的轉動步數來控制）測試曲線示例。

圖4 通過衰減器后的激光能量測試曲線

通過該曲線可看出，第一、二、三次測試曲線基本吻合，體現該樣機系統精度高、衰減系統可靠。主要精度參數如表2 所示。

表2 本產品主要精度參數

從表2 數據可以看出，本激光衰減器解決現有技術中衰減器系統精度較差、可靠性較低以及占用空間大的技術問題，同時具有抗損傷閾值高、使用溫度環境寬等特點。

3 結 論

在技術水平上，本激光衰減器通過精密中空軸伺服步進電機，減少了電機轉動的空回，提高了系統精度；可利用軟件控制，有可視化界面，操作簡便；具有高的抗損傷閾值、使用溫度環境寬；采用全密封設計，減少了灰塵對系統的影響，提高了可靠性，且節約了空間，使整個系統體積小巧、便于應用。在此內容基礎上，本產品的性能與其他衰減器相比也更為精密。因此，本產品在需要激光功率均衡或光強衰減的各種領域中具有重要的應用價值。