激光衰减装置的制作方法

本公开涉及光学器件领域，尤其涉及一种激光衰减装置。

背景技术：

激光具有相干性好、方向性强和亮度高等特点，但在激光探测领域中，激光信号的强度很容易超出探测器的响应区间，使探测器饱和甚至损伤。为了有效测量激光的能量、功率、重复频率、时间分布等参数，往往需要在激光信号与探测器之间加入衰减片，对激光信号的强度进行衰减，以满足探测器的响应区间，避免探测器的损伤。

目前，激光衰减器主要有如下两种：一种是基于反射原理的镀膜层厚度沿直线或圆周渐变的衰减器，其优点是光学和机械结构简单，缺点是均匀性差，尤其在膜层密度低的区域。另一种是基于偏振原理的衰减器，它利用偏振器件特性只允许偏振器件透振方向相同的光通过，而滤掉与偏振器件透振方向不同的光，从而实现对能量的衰减，且透过偏振器的光强满足马吕斯定律：

i＝i0cos²α(1)

其中，i0为入射前光强，i为偏振光通过检偏器后透射光强度，α为检偏器的偏振方向与入射偏振光的偏振方向夹角，因而转动检偏器即可实现激光的连续、动态衰减。图1为基于偏振原理的衰减器的原理示意图，其中1为入射光，2为起偏器，3为检偏器。

基于偏振原理的衰减器既可以用一对线性偏振棱窗口的偏振角的改变来实现衰减，也可以用电光效应经延迟椭圆偏振光的相位来实现衰减，其优点是可以承受较高能量的激光衰减，缺点是高质量的偏振棱窗口难以加工且反射表面容易产生鬼象。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种激光衰减装置，通过精确控制入射激光与两面平行的抛光窗口片平面的法线之间的角度，可以对激光强度实现连续精确衰减，装置结构简单可靠，提高了激光强度衰减的均匀性和可控性。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种激光衰减装置，包括：窗口片，所述窗口片包括两个相互平行的抛光平面；以及角度调节模块，用于旋转所述窗口片，以调节所述窗口片抛光平面的法线与入射激光之间的角度。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片的旋转轴与窗口片抛光平面的法线之间存在夹角。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片抛光平面的法线与入射激光之间的角度范围为0°～90°。

在本公开的一些实施例中，通过改变所述窗口片的厚度，调控激光透过率的大小。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片的厚度为0.5～10mm。

在本公开的一些实施例中，所述角度调节模块包括：窗口架，用于固定窗口片；转台，与窗口架相连，用于带动所述窗口片旋转；以及步进电机，与所述转台相连，用于驱动所述转台旋转。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片的旋转轴与窗口片抛光平面的法线垂直。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片的材料为锗、硒化锌、砷化镓、氟化钡或氯化钠。

在本公开的一些实施例中，所述窗口片材料为锗，入射激光的中心波长为10.6μm，通过调控锗窗口片抛光平面的法线与入射激光之间的角度，激光透过率在23％～100％范围内连续变化。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种激光衰减装置具有以下有益效果：

(1)本公开提供的激光衰减装置通过精确控制入射激光与两面平行的抛光窗口片平面的法线之间的角度，实现对激光强度的连续精确衰减，提高了激光强度衰减的均匀性和可控性；

(2)本公开提供的激光衰减装置主要通过窗口片和角度调节装置实现对激光强度的连续衰减，装置结构简单，易于加工。

附图说明

图1为基于偏振原理的衰减器的原理示意图。

图2为本实施例中激光衰减装置的结构示意图。

图3为本实施例中激光入射到厚度为1mm的锗窗口表面的光路示意图。

图4为本实施例中锗窗口片为1mm厚时，激光透射率随旋转角的变化曲线。

图5为本实施例中厚度分别为0.7mm、1mm、1.5mm、2.5mm的锗窗口片对激光的透过率与旋转角度的变化曲线。

【主要元件】

1入射光；2起偏器；3检偏器；

4窗口架；5双面平行的锗抛光窗口片；

6转台；7步进电机。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供了一种激光衰减装置，包括：

窗口片，所述窗口片包括两个相互平行的抛光平面；以及

角度调节模块，用于旋转所述窗口片，以调节所述窗口片抛光平面的法线与入射激光之间的角度。

利用角度调节模块对所述窗口片抛光平面的法线与入射激光之间的角度进行调节，由于所述角度的变化，相干激光在窗口片前后表面往返的光程差将随之变化，从而影响相干激光透射率的变化，以实现对激光强度的连续衰减；

通过利用角度调节模块精确控制入射激光与窗口片抛光平面法线之间的角度，实现了对激光强度的连续精确衰减，装置结构简单，易于加工，且提高了激光强度衰减的均匀性和可控性。

进一步的，当利用所述角度调节模块对窗口片进行旋转时，需保证入射激光与窗口片抛光平面法线之间的角度可调，所以窗口片的旋转轴不能与窗口片抛光平面的法线相平行，即窗口片的旋转轴与窗口片抛光平面的法线之间存在一定的夹角。

进一步的，所述入射激光与所述窗口片抛光平面的法线之间的角度范围为0°～90°，均可实现对激光强度的衰减。

优选的，当激光垂直入射窗口片抛光表面时，所述窗口片的材料对入射激光的透射率大于60％；本公开窗口片的材料不限于其对入射激光的透射率大于60％，只要入射激光可以透过窗口片即可，不影响本公开的实现。

另外，通过利用激光的相干特性，当激光入射到不同厚度的抛光窗口片平面时，激光的透过率也会发生变化，以实现激光强度的衰减。优选的，所述窗口片的厚度为0.5～10mm。

以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。图2为本实施例中激光衰减装置的结构示意图。本实施例中，窗口片的材料为锗，角度调节模块包括窗口架、转台和步进电机。请参照图2，一种激光衰减装置包括：

窗口架4；

双面平行的锗抛光窗口片5；

转台6；以及

步进电机7；其中，

所述窗口架4用于固定锗窗口片，圆形的窗口片内嵌于窗口架4之中；

所述转台6与窗口架4相连，用于带动窗口架4和锗窗口片进行旋转；

所述步进电机7与转台6相连，用于驱动转台6旋转。

图3为激光入射到厚度为1mm的锗窗口片表面的光路示意图，其中d表示锗窗口片的厚度，θ为旋转角，旋转角为入射激光与锗窗口片抛光平面法线之间的角度，图3中所示的虚线与激光的入射方向相垂直。本实施例中角度调节模块包括窗口架、转台和步进电机，通过步进电机驱动转台旋转从而带动窗口架内的窗口片旋转，以实现对旋转角θ的改变。本公开的角度调节模块不限于窗口架、转台和步进电机，例如可采用伺服电机进行替换步进电机，还可为其他能够旋转窗口片的角度调节装置，不影响本公开的实现。

当旋转角θ＝0°时，即一束相干激光垂直入射两表面平行的锗窗口片，激光的透过率t相干为：

其中，ra、rb、ta、tb分别表示锗窗口片前后两表面的反射率和透过率，锗窗口的前表面即激光垂直入射的表面，锗的吸收系数α＝0.032cm^-1，锗窗口片的厚度d＝1mm，激光在锗窗口片前后表面往返一次的光程差所造成的相位差δ为：

其中，锗的折射率n1＝4，入射激光的光波长λ0＝10.6μm。

当旋转角θ不等于0°时，锗窗口片对相干激光的透过率t相干为：

其中，光线实际在锗窗口片中往返半程经历的路程s为：

激光在锗窗口片前后表面往返一次的光程差所造成的相位差δ′为：

其中，为折射角；本实施例中，锗窗口片两侧的介质均为折射率为1的空气，由此可得锗窗口片前后两表面的反射率和透过率为：

ra＝rb＝r＝(n1-1)²/(n1+1)²＝0.36(7)

ta＝tb＝t＝1-r＝0.64(8)

将公式3、7、8代入公式2，以及将公式5、6、7、8代入公式4可以得出相干激光的透射率与旋转角度θ之间的关系，图4为本实施例中锗窗口片为1mm厚时，激光的透射率随旋转角的变化曲线。请参照图4，旋转角在0°～10°范围内变化时，激光的透过率可以从23％渐变到100％，即通过调节入射激光与锗窗口片平面法线之间的角度，可实现对激光强度的连续衰减。由此可见，随着旋转角θ的变化，相干激光在锗窗口片前后表面往返的光程差随之变化，因此导致锗窗口片对激光的透过率相应改变。

本实施例中，锗窗口片的旋转轴为与其抛光平面相平行的轴线，即旋转轴与窗口片抛光平面的法线相互垂直，本公开中，窗口片的旋转轴不限于与窗口片抛光平面的法线垂直，也可以为与窗口片抛光平面的法线成一定夹角的轴线，只要可以实现调节入射激光与窗口片平面法线之间的角度，均不影响本公开的实现。

为了探究窗口片的厚度与旋转角度对激光透过率的共同影响，在本实施例中，对不同厚度的锗窗口片，通过改变锗窗口片的旋转角研究了激光透射率的变化趋势。图5为本实施例中厚度分别为0.7mm、1mm、1.5mm、2.5mm的锗窗口片对激光的透过率与旋转角度的变化曲线图。由图5可以看出，对于以锗材料制备的窗口片，通过改变激光入射到锗窗口片的角度，激光的透过率可以在23％～100％的范围内连续可调。另外，从图5还可以看出，激光透过率随旋转角变化的快慢受窗口片厚度的影响。如图5所示，当锗窗口片的厚度为0.7mm、1mm时，均可实现激光透射率在较大范围内连续可调，但是当锗窗口片的透过率从最小值变化到最大值时，厚度为0.7mm的锗窗口片对激光的透过率随旋转角的变化趋势比厚度为1mm的锗窗口片对激光的透过率随旋转角的变化趋势缓慢。旋转角变化的越缓慢，更便于对旋转角的调控，从而便于对激光透过率的调谐。实际应用中，可根据实际应用的需求，确定所需窗口片的厚度及旋转角度的变化范围，不影响本公开的实现。优选的，在对激光强度进行衰减时，为了便于控制旋转角度，可选取厚度较小的窗口片。优选的，本实施例中旋转角的范围选取为0°-9°，本公开中旋转角在0°-90°范围内，均可实现对激光透射率的调控，不影响本公开的实现。

另外，从图5中可以看出，当旋转角度为0度时，厚度分别为0.7mm、1mm、1.5mm、2.5mm的锗窗口片对激光的透射率各不相同，由此可见，通过改变锗窗口片的厚度也可实现对激光透过率的调控。通过改变锗窗口片的厚度也可以改变相干激光在锗窗口片前后表面往返的光程差，因此改变了相干激光的透射率；本公开中，可通过固定旋转角度，利用具有不同厚度的锗窗口片实现对相干激光透过率的调控，也可通过共同改变旋转角度和窗口片的厚度，实现对相干激光透过率的调控；进一步的，若采用多个窗口片在激光传输光路上串接的方式，则可实现对激光强度的进一步衰减。

进一步的，本实施例的材料不限于锗窗口片，所述窗口片的材料可用硒化锌、砷化镓、氟化钡或氯化钠进行替换，不影响本公开的实现；本公开的窗口片不限于实施例中的圆形，也可为方形或其他形状，不影响本公开的实现。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种激光衰减装置有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。