CN102645702A - 一种新型小型机械式可变激光衰减装置 - Google Patents

Abstract

一种新型小型机械式可变激光衰减装置属于激光器件领域。 主要包括：光输入部、光强衰减装置、光输出部、控制部，其联接方式通过光路联接，光输入部位于整个装置最前端，光线先经光输入部后入射到光强衰减装置上，光强衰减装置设置在控制部的角度旋转部件上，控制部调节光线在光强衰减装置上入射角度，光线在光强衰减装置上经衰减后，通过光输出部输出。 本发明用于光通讯和光信息处理等需要光强衰减的场合，也可用于精密测距、全息信息处理等需要对光束参数进行控制的情况，同现有的常规技术相比较，其工艺简单，价格低廉，消光比大，工作波长范围大，偏振灵敏度小，插入损耗小，无传输损耗。

Description

一种新型小型机械式可变激光衰减装置

技术领域

本发明涉及的是一种激光光强衰减装置，特别是一种小型机械式可变激光光强衰减装置，属于激光器件领域。

背景技术

由于激光本身的强度和功率较高，在一些应用场合常常会超过后继器件对光强的承受能力，所以如果不对光强进行适当的衰减，势必对后继器件造成损伤。光强衰减器就是一种插入到光学回路中的器件，其目的是对光强进行人工可控的衰减，使输出光在强度或功率上满足使用要求。经文献检索发现，美国专利申请号为：6130984，申请日期为：2000. 10. 10，发明名称为：小型可调光强衰减器，该专利介绍的是一种机械调谐式光强衰减器，采用机械调谐的方法对光强进行可控衰减。机械调谐式激光光强衰减器一般具有可调性强、容易实现对光强的不同程度衰减的优点，其实现的光学原理各不相同，比较常见的，如美国专利号为：6130984，首先制作一衰减薄膜，其衰减系数在不同位置是不同而且连续变化的，利用驱动马达或手工调节改变衰减薄膜的位移，使光束通过薄膜的不同位置，从而获取对光强的不同程度的衰减。这种机械调谐式光强衰减器的核心部件是衰减薄膜，其要求是薄膜厚度连续渐变，一般为了减少光强的损失还需在衬底上镀减反膜。通过调节衰减薄膜的位置实现激光光强衰减的方法存在如下的不足：1．薄膜制作工艺复杂，为了实现光强衰减在不同位置是不同而且连续变化的，薄膜厚度也应是连续变化的，这在制作过程中很难控制，不易做到大批量生产，相应地造成成本较高；2．光强衰减可调范围不是很大；3．同一工作状态下（光束穿过薄膜的位置相同），不同波长的光衰减相差比较大，这样在实现对衰减大小的显示时，不易做到统一化。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种小型机械式可变激光光强衰减装置，使其具有低插入损耗、偏振特性好、制作工艺简单、价格低廉、小型化等高技术性能。本发明的技术方案是这样实现的，本发明主要包括：光输入部、光强衰减装置、光输出部、控制部，其联接方式通过光路联接，光输入部位于整个衰减装置的最前端，光线先经光输入部后入射到光强衰减装置上，光强衰减装置设置在控制部的角度旋转部件上，控制部调节光线在光强衰减装置上的入射角度，光线在光强衰减装置上经衰减后，通过光输出部输出。

    光输入部由平行部件和偏折部件构成，待衰减的光线先经过平行部件改善平行度，然后经过偏折部件偏折后以一定角度入射到光强衰减装置上，光线在光强衰减装置的棱镜薄膜界面经过多次反射后，进入到光输出部。

    光强衰减装置是一个截面为等腰梯形的棱镜，其上下底面分别涂有介质薄膜，在上下表面介质薄膜的折射率一定的情况下，严格控制薄膜的厚度，在同一折射率的情况下，其合适的厚度有多个。

    光输出部由偏折部件和平行部件构成，先由偏折部件将出射光线的方向调整到与光输入部上入射线方向一致，最后由平行部件处理成平行光输出。

    控制部由角度旋转件和角度调节件构成，角度调节部件通过传动件可以对角度旋转部件和光强衰减装置的工作角进行调节，并且通过调节光线在光强衰减装置上的入射角度，达到控制光强衰减的目的。

    为了保持在光强衰减装置旋转过程中光学棱镜侧面出射光点静止．角度旋转件的旋转轴位置应确定如下：首先，将光线由棱镜侧面正入射进入棱镜，在棱镜内经过一系列反射，经过路径l_p，最后由等腰棱镜另一臂出射，在出射光点附近做一半径r=l_p／n_p的圆（n_p是棱镜折射率）与棱镜入射臂及入射光线同时相切，以圆心作为旋转轴即可。

    选择合适的棱镜底角，使光束垂直棱镜侧面入射时其工作点大致在反射率曲线上升沿的顶点（全反射，衰减为OdB），这样能减小入射光束在棱镜侧面由于反射而损失的光强；选择合适的棱镜的高度和长度，可使光束在棱镜上、下底面的反射次数增多（比如五次、七次等）。

    整个装置工作时，入射光先经过平行部件改善平行度，然后由偏折部件偏折后输入到光强衰减装置，以一角度0入射到其光学棱镜的底面上，这时，光在棱镜一薄膜界面发生多次反射，反射效率完全由控制部控制的光线的入射角度θ决定，随着角度旋转件的旋转，入射角θ变化，棱镜一薄膜界面的反射效率变化，相应的衰减量也发生变化。这样，出射光的强度就完全能通过控制入射角的大小来调节，实现所需要的衰减效果。最后的出射光线经过光输出部的偏折成为与入射光在同一方向上的光线，再经处理成为平行光。

    本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可用于光通讯和光信息处理等需要光强衰减的场合，也可用于精密测距、全息信息处理等需要对光束参数进行严格控制的情况。与现有技术相比，采用SOL-GEL法（溶胶一凝胶法）制得Si0：薄膜作为衰减器工作物质，突出优点是材料配置简单、成本很低。因为SOL-GEL法制备的溶胶通过提拉法涂膜，其厚度和折射率及其均一性都可以比较方便地得到控制；因为采用的是反射型衰减结构，所以，器件无传输损耗，插入损耗也较低；光强衰减装置的消光比完全由随角度改变而变化的反射率的最小值来决定，通过精确选择、控制薄膜的厚度与折射率，采用三次反射，可以使反射光接近完全消光，而且调节的角度范围也不大。故本光强衰减装置的消光比可以很高（超过50dB），同时可保持较好的PDL（偏振相关损耗）（小于0.5dB）。在不改变衰减装置的基本结构和参数的情况下，通过增加光束在棱镜底面的反射次数能得到更大程度的光强衰减和更小的偏振相关性，所以本发明同现有的常规技术相比较具有如下优点：(1)、工艺简单、价格低廉；(2)、消光比大；(3)、工作波长范围大；(4)、偏振灵敏度小；(5)、插入损耗小：(6)、无传输损耗。

附图说明

    图l本发明总体结构示意图

    图2本发明各组成部分结构示意图

    图3本发明带光纤接头的光强衰减器工作原理图

    图4本发明大孔径激光光强衰减器工作原理图。

具体实施方式

    如图1、图2、图3、图4所示，本发明主要包括：光输入部l、光强衰减装置2、光输出部3、控制部4，其联接方式通过光路联接，光输入部1位于整个衰减装置的最前端，光线先经光输入部后入射到光强衰减装置2上，光强衰减装置2设置在控制部4的角度旋转部件13上，控制部4调节光线在光强衰减装置2上的入射角度，光线在光强衰减装置2上经衰减后，通过光输出部3输出。

光输入部l由平行部件5和偏折部件6构成，待衰减的光线先经过平行部件5改善平行度，然后经过偏折部件6偏折后以一定角度入射到光强衰减装置2上。

光强衰减装置2是一个截面为等腰梯形的棱镜8，其上下底面分别涂有上表面介质薄膜7和下表面介质薄膜9，上下表面介质薄膜7、9的厚度有多个。

光输出部3由偏折部件10和平行部件11构成，先由偏折部件10将出射光线的方向调整到与光输入部l上入射线方向一致，然后由平行部件11处理成平行光输出。

控制部4由角度旋转件13和角度调节件12构成，角度调节部件12通过传动件对角度旋转部件1 3和光强衰减装置2的工作角进行调节。

角度旋转件13的旋转轴位置确定如下：首先，将光线由棱镜8侧面正入射进入棱镜，在棱镜8内经过一系列反射，经过路径l_p，最后由等腰棱镜8另一臂出射，在出射光点附近做一半径r=l_p／n_p的圆与棱镜8入射臂及入射光线同时相切，以圆心作为旋转轴即可。

以下结合本发明的具体内容，提供两个实施例：

实施例一：以带光纤接头的光强衰减器为例，光输入部由光纤接头14，光纤15和光纤自聚焦透镜16组成，标准光纤接头14可以很方便地与输入光，如带尾纤输出的激光器，以光纤形式对接，自聚焦透镜16使光线保持平行，光线从光输入部1以固定方向入射到光强衰减装置2上。

光强衰减装置2由等腰梯形棱镜8、上介质薄膜7、下介质薄膜9组成，光强衰减装置2的参数设计以1.3 um为中心波长，若选择其它波长作为工作波长，参数设计需重新优化。光强衰减装置2中，棱镜8选用高折射率等腰梯形棱镜(ZF7，n=l. 750，底角38. 45⁰)，上下底面介质薄膜7和9采用相同的SiO₂薄膜，其折射率n=l.32，厚度d=0.340μm，可由溶胶一凝胶Sol-Gel法制得溶胶后通过提拉法制备，角度调节部件可由手动或步进马达驱动螺旋微调仪21实现。角度旋转部件由精密转角仪20实现。

光输出部由光纤自聚焦透镜17，光纤18和光纤接头19组成，其中自聚焦透镜17改善输出光的平行度，光纤接头19用以和外部光纤器件对接，自聚焦透镜17紧贴在光强衰减装置2的光学棱镜8的光束出射点上。

对于工作于不同的工作波长的衰减器，主要是靠改变光衰减部的各膜层的参数来实现。

实施例二：以大孔径激光光强衰减器为例，光输入部2由入射窗口23，集光透镜24和平面镜25组成。集光透镜24使光线保持平行。平面镜25改变光传播方向，使经反射后的输出光和输入光保持在一条直线上。

光强衰减装置2由等腰梯形棱镜8，上介质薄膜7，下介质薄膜9组成，光强衰减装置2的参数设计以1.3μm为中心波长，若选择其它波长作为工作波长，参数设计需重新优化。光强衰减装置2中，棱镜8选用高折射率等腰梯形棱镜(ZF7，n=l. 750，底角38. 45⁰)，上下底面介质薄膜7和9采用相同Si0₂薄膜，其折射率n=l.32，厚度d=0.340μm，可由SOL-GEL法制得。角度调节部件可由手动或步进马达驱动螺旋微调仪21实现。

    角度旋转部件由精密转角仪20实现，光输出部由平面镜26，集光透镜27和出射窗口28组成，其中集光透镜27改善输出光的平行度，平面镜26改变光传播方向，使经反射后的输出光和输入光保持在一条直线上。

Claims (5)

1.一种小型机械式可变激光光强衰减装置，主要包括：光输入部(1)、光强衰减装置(2)、光输出部(3)、控制部(4)，其特征在于其联接方式通过光路联接，光输入部(1)位于整个衰减装置的最前端，光线先经光输入部(1)后入射到光强衰减装置(2)上，光强衰减装置(2)设置在控制部(4)的角度旋转部件(13)上，控制部(4)调节光线在光强衰减装置(2)上的入射角度，光线在光强衰减装置(2)上经衰减后，通过光输出部(3)输出。

2.    根据权利要求l所述的这种小型机械式可变激光光强衰减装置，其特征是光输入部(1)由平行部件(5)和偏折部件(6)构成，待衰减的光线先经过平行部件(5)，然后经过偏折部件(6)偏折后以一定角度入射到光强衰减装置(2)上。

3.    根据权利要求1所述的这种小型机械式可变激光光强衰减装置，其特征是光强衰减装置(2)是一个截面为等腰梯形的棱镜(8)，其上下底面分别涂有上表面介质薄膜(7)和下表面介质薄膜(9)，上下表面介质薄膜(7)、(9)．的厚度有多个。

4.    根据权利要求l所述的这种小型机械式可变激光光强衰减装置，其特征是光输出部(3)由偏折部件(10)和平行部件(11)构成，先由偏折部件(10)将出射光线的方向调整到与光输入部(1)上入射线方向一致，然后由平行部件(11)处理成平行光输出。

5.    根据权利要求l所述的这种小型机械式可变激光光强衰减装置，其特征是控制部(4)由角度旋转件(13)和角度调节件(12)构成，角度调节部件(12)通过传动件对角度旋转部件(13)和光强衰减装置(2)的工作角进行调节。

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