CN102707433A - 透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，属于光学计量技术领域。该装置含有两级衰减片组件和吸收阱，每级衰减片组件含有分别固定在两个啮合齿轮上的两个衰减片，伺服电机在计算机的控制下驱动齿轮精确转动，使两个衰减片相对转动，从而实现透过率的连续变化；吸收阱的吸收面为椭圆状并带有多个陷波突，椭圆曲率满足入射光束经衰减片反射后不正入射到两个相邻陷波突与其中间V型槽构成的空间内，由此增大了吸收阱的吸收效率。本发明有效地解决了微弱光条件下透过率连续可变的衰减问题，具有可靠性高、重复性好、适用范围广的特点。

Description

透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种激光衰减装置，尤其涉及一种透过率连续可调的弱光精密衰减装置。

背景技术

随着光学应用广度的增大和应用深度的增加，对光源精度和强度的精细化要求越来越高，而大多数光源，包括普通光源、激光光源、红外光源等，很多不具备光强可调功能，具备可调功能的，只能给出若干个离散的倍频能量值或在较小的动态范围内通过改变占空比等方式调节光强，精度都不高；因此，为了获得满足某一特定强度要求的光源，最合适和最常见的做法是采用衰减方式。

国内的透过率连续可调的衰减方案以图1所示透射式率减法最为理想。该方案用包括可旋转罗盘的固定衰减器组件a和楔形镜组件b构成，可旋转罗盘上等间隔设有一系列大小相等的圆孔，圆孔中镶嵌不同透过率的滤波片，实现初步衰减，楔形镜组件b由主镜c和辅镜d组成，其中辅镜d可以垂直光轴移动，使得光线穿过的楔形镜总厚度随之改变，从而对应的透过率也相应变化，以此实现连续可变衰减。这种衰减方式的缺点是出射光光束均匀性较差，光斑尺寸对透过率的影响较大，辅镜靠手动调节，即使使用步进电机也难以达到精确透过率，在弱光条件下衰减效果更差，另外，光线通过一对楔形镜后光路会发生偏移。

在当前的激光计量和许多光学应用领域中，经常会对光源能量值提出某一特定而精确的要求，如：85fJ、127fJ、170fJ、191fJ、212fJ、233fJ等，甚至要求在某一装置上的光源能准确提供多个上述能量值，这对衰减器提出了苛刻的要求，目前，国内没有一种衰减器能够满足以上要求。

国外较多使用反射式衰减法，如RD&EC的自动激光导引头性能评估系统(ALSPES)，采用反射式衰减法，用步进电机控制两组衰减片转动，随着衰减片转角不同，反射透射比相应变化，反射的光被吸收阱吸收，以此实现连续可变衰减。该装置不足之处在于零回差实现困难，透过率不能做到连续精确可调，而在比如飞焦级微弱光条件下，吸收阱设计要求更高，否则杂散的漫射光会严重影响光源的均匀性、稳定性等指标，ALSPES的V型螺纹式吸收阱是基于毫焦级能量设计，吸收效率低，因此，该设计方案在飞焦级微弱光条件下的衰减精度更低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有衰减技术的不足，提供一套透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的激光衰减装置包括衰减片组件、两个伺服电机、两个绝对码盘、吸收阱，壳体和计算机，两个绝对码盘分别安装在两个伺服电机的转轴上，两个伺服电机接受计算机的控制，两个绝对码盘的角度测量值输出给计算机；

所述衰减片组件由相同的两级衰减片组件构成，每级衰减片组件均包括主衰减片、补偿衰减片、主动齿轮和从动齿轮，主衰减片和补偿衰减片均为矩形状，其两个相对的工作面上分别镀制滤光膜和增透膜，主衰减片和补偿衰减片分别垂直固定到主动齿轮和从动齿轮的端面中心，当主动齿轮和从动齿轮处于初始啮合位置时，主衰减片和补偿衰减片的工作面相对于齿轮啮合切线对称，且衰减片的工作面与啮合切线成一定夹角即工作角；所述吸收阱的左右两侧为平面并分别带有入射窗口和出射窗口且入射窗口和出射窗口的连线为吸收阱的轴线，前后两侧为平面，上下两侧呈椭圆面，椭圆面的内表面沿吸收阱的轴向设有多个陷波突，每个相邻陷波突之间设有多条V型槽，相邻陷波突与其中间的V型槽构成微型吸收腔，陷波突、V型槽的长度均与所述椭圆面的宽度相等，陷波突与吸收阱轴线平行的截面形状含三个等边三角形和一个等腰梯形，等腰梯形的短边位于椭圆面的根部，三个等边三角形的底边顺次相连并与等腰梯形的长底边接触，V型槽的开口端面与等腰梯形的短边平齐，所述吸收阱的内表面镀制黑漆涂料；所述外壳形状与所述吸收阱相适应；所述壳体套在所述吸收阱外部，所述衰减片组件位于吸收阱的内部，所述两个伺服电机固连在壳体前侧面或后侧面上，两个电机的转轴分别穿过壳体与吸收阱的通孔与两个主动齿轮固连，两个从动齿轮分别通过各自的支撑轴及轴承与壳体连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，两个主衰减片和两个补偿衰减片的中心均位于吸收阱的轴线上且镀滤光膜的一面均迎向入射窗口，当主衰减片和补偿衰减片转动时，由入射窗口入射的光束经衰减片全部反射到吸收阱上且不正入射到吸收阱4的各个微型吸收腔内；所述计算机6内置有数据表和控制模块，数据表中给出了衰减片透过率与衰减片转角的对应数据；控制模块的功能是当其接到人工输入的透过率值时，调用所述数据表查找衰减片的对应转角值，驱动两个伺服电机转动，判断绝对码盘实时反馈的电机转动角度是否与查表获得的对应转角值相等，若为否，继续驱动两个伺服电机转动，若为是，控制伺服电机停止转动。

本发明的整体技术效果体现在以下方面。

(一)在本发明中，将绝对编码器固定在电机转轴上，精确指示衰减片转过的角度并将实时位置传给计算机，计算机获得位置信息后进一步控制电机，使衰减片到达需要的角度位置，从而实现透过率的单点精确可控。

(二)在本发明中，吸收阱的吸收面为带有多个陷波突的椭圆形且相邻陷波突与其中间的V型槽构成微型吸收腔，从而使衰减装置的吸收面积有较大幅度的增加，由此提高了衰减装置的吸收效果；此外，光线经衰减片反射后不正入射到微型吸收腔而使光线在微型吸收腔内发生多次反射，由此满足了弱光条件下衰减装置的吸收效果。

附图说明

图1是现有透射式衰减法的原理图。

图2是本发明飞焦级脉冲激光衰减装置的组成示意图。

图3是本发明中第一级衰减片组件的组成示意图。

图4是本发明中衰减片组件的消回差结构原理图。

图5是本发明中吸收阱的主视、俯视和左视图。

图6是本发明中微型吸收腔的示意图。

图7是本发明中陷波突的形状示意图。

图8是本发明中计算机的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。

如图2所示，透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置的优选实例包括衰减片组件1，电机组件2，绝对码盘组件3，吸收阱4，壳体5，计算机6。电机组件2包括伺服电机一2-1、伺服电机二2-2，这两个伺服电机均为Panasonic公司MD5A型交流伺服电机；绝对码盘组件3由绝对码盘一3-1和绝对码盘二3-2组成，这两个绝对码盘型号相同，控制精度为17位；绝对码盘一3-1安装在伺服电机2-1的转轴上，绝对码盘二3-2安装在伺服电机2-2的转轴上；绝对码盘的作用是精确度量电机转动角度，上述伺服电机和绝对码盘通过相应的数据线与计算机6连接。

衰减片组件1由结构组成完全相同的第一级衰减片组件和第二级衰减片组件构成。下面以第一级衰减片组件为例进行介绍，参见图3、图4，第一级衰减片组件包括主衰减片1-1和补偿衰减片1-2，主动齿轮1-3，从动齿轮1-4，以及与从动齿轮1-4配套的三根拉簧1-5、支撑轴、轴承。主衰减片1-1和补偿衰减片1-2完全相同，均为100mm×100mm×6mm的K9玻璃，衰减片两个100mm×100mm的工作面分别镀制滤光膜和增透膜，使用补偿衰减片的作用是增加透过率的动态范围，另一个作用是保证光束的空间方位不变。主动齿轮1-3和从动齿轮1-4齿形、材料相同，直径均为110mm，从动齿轮1-4包括两个大小形状完全相同的齿片，这两个齿片叠放在一起，厚度之和等于主动齿轮1-3的厚度。从动齿轮1-4的两个齿片上有均布的三个“一”字型通孔，通孔中心和齿轮中心的连线与通孔长度方向垂直。三根拉簧1-5分别位于三个“一”字型通孔中，每根拉簧的两端分别与齿轮1-4的两个齿片固连，在周向形成一个相对转动的趋势，该周向的相对转动被主动齿轮1-3的齿面约束，这样就能保证主齿轮1-3齿面和从动齿轮1-4齿面始终相互接触，从而消除齿轮系回差。主衰减片1-1和补偿衰减片1-2对应垂直固定到主动齿轮1-3与从动齿轮1-4的端面中心上，当主动齿轮和从动齿轮处于初始啮合位置时，主衰减片1-1和补偿衰减片1-2的工作面关于齿轮的啮合切线p对称，衰减片的工作面与啮合切线p的夹角即工作角为30°，齿轮转动时，该工作角在15°～30°角范围变化。该工作角的范围与衰减片使用的膜系有关，具体范围应限定在衰减片透过率与转动角度呈现较好线性的区间内。

如图5所示，吸收阱4采用铝材料制作，左右两侧为平面并分别设入射窗口和出射窗口且入射窗口和出射窗口的连线为吸收阱的轴线，前后两侧为平面，上下两侧呈椭圆面，椭圆面的内表面沿吸收阱的轴向设有多个陷波突4-1，相邻陷波突4-1之间设有多条V型槽，相邻陷波突4-1与其中间的V型槽构成微型吸收腔w(参见图6)，陷波突4-1、V型槽的长度均与椭圆面的宽度相等。陷波突4-1与吸收阱轴线平行的截面形状含三个等边三角形和一个等腰梯形(参见图7)，等腰梯形的短边位于椭圆面的根部，三个等边三角形的底边顺次相连并与等腰梯形的长底边接触，本实施例中等边三角形边长为5mm，等腰梯形上下底分别为15mm和7.5mm，高为11.5mm，相邻陷波突4-1之间沿光路方向的距离是25mm；V型槽的开口端面与等腰梯形的短边平齐。吸收阱4内表面镀制市售高发射率黑漆涂料，发射率为0.98，即对于投射到其上的光98％被吸收2％被漫反射。

外壳5采用铝材料制作，表面做喷漆处理。形状与吸收阱4相适应，在与吸收阱4后面接触的面上，与吸收阱4通孔的位置对应有两个通孔和两个轴承安装孔，通孔供伺服电机转轴穿过，轴承孔用以固定轴承；同时，外壳5还起到遮光作用。

计算机6中装有数据表和控制模块，数据表为衰减片透过率和转动角度的对应数据；数据表角度的范围等于衰减片的工作角范围，角度之间的间隔等于电机最小步进角。控制模块功能是当其接到人工输入的透过率值时，调用数据表查找相应转动角度，如果输入透过率值大于工作角范围内对应的最大透过率或小于工作角范围内对应的最大透过率，则提示错误，并将提示消息在屏幕回显；如果输入透过率值没有超出工作角对应的透过率范围，则直接查找对应转动角度，若数据表中没有与输入透过率相等的值，则选取与其最接近的值，查找对应转动角度。查找完成后，驱动伺服电机一2-1和伺服电机二2-2转动，判断绝对码盘实时反馈的电机转动角度，当反馈角度值与查找获得的角度相等时，控制伺服电机停止转动，否则继续驱动电机工作直至反馈角度等于查找获得的角度。其工作流程见图8。

再参见图2，壳体5套在吸收阱4外部，伺服电机一2-1固连在壳体外部，电机转轴穿过壳体5的通孔和吸收阱4的通孔与第一级衰减片组件的主动齿轮1-3的中心孔固连，主动齿轮1-3与从动齿轮1-4啮合，支撑轴的一端与从动齿轮1-4的中心孔固连，另一端穿过吸收阱4的通孔，通过轴承与外壳5连接。伺服电机二2-2用在第二级衰减片组件上，在其中的连接方式和作用与伺服电机一2-1在第一级衰减片组件中的连接方式和作用相同，装配完成后四个衰减片的中心位于吸收阱4的轴线上，镀滤光膜的一面均迎向入射窗口的方向。吸收阱4上下两个面的椭圆曲率应满足以下限定：光线反射到吸收阱4上时，不会正入射到其各个微型吸收腔w中。根据黑体理论，当光线正入射时，光线直接入射到腔底，会导致反射光直接从入口逸出，吸收效果较差，而对于斜入射的光，会在腔内多次反射，每次反射后光强减弱为原来的2％，最后几乎被完全吸收。经计算和验证，此设计方案的吸收效率超过99.94％。通过计算，本实施例的吸收阱4的吸收面积是传统V型槽吸收阱吸收面积的2.3倍，并增加了光线在吸收阱上的反射次数，由此提高了吸收阱的吸收效果，并大大减少了漫反射光的干扰作用。

Claims (6)

1.一种透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，包括衰减片组件(1)、两个伺服电机、吸收阱(4)和壳体(5)，所述衰减片组件(1)由相同的两级衰减片组件构成，每级衰减片组件均包括主衰减片(1-1)、补偿衰减片(1-2)、主动齿轮(1-3)和从动齿轮(1-4)，主衰减片(1-1)和补偿衰减片(1-2)均为矩形状，其两个相对的工作面上分别镀制滤光膜和增透膜，主衰减片(1-1)和补偿衰减片(1-2)分别垂直固定到主动齿轮(1-3)和从动齿轮(1-4)的端面中心，当主动齿轮(1-3)和从动齿轮(1-4)处于初始啮合位置时，主衰减片(1-1)和补偿衰减片(1-2)的工作面相对于齿轮啮合切线(p)对称，且衰减片的工作面与啮合切线(p)成一定夹角即工作角；其特征在于，所述衰减装置还包括两个绝对码盘和计算机(6)，两个绝对码盘分别安装在所述两个伺服电机的转轴上，两个伺服电机接受计算机(6)的控制，两个绝对码盘的角度测量值输出给计算机(6)；所述吸收阱(4)的左右两侧为平面并分别带有入射窗口和出射窗口且入射窗口和出射窗口的连线为吸收阱(4)的轴线，前后两侧为平面，上下两侧呈椭圆面，椭圆面的内表面沿吸收阱的轴向设有多个陷波突(4-1)，相邻陷波突(4-1)之间设有多条V型槽，相邻陷波突4-1与其中间的V型槽构成微型吸收腔(w)，陷波突(4-1)、V型槽的长度均与所述椭圆面的宽度相等，陷波突(4-1)与吸收阱轴线平行的截面形状含三个等边三角形和一个等腰梯形，等腰梯形的短边位于椭圆面的根部，三个等边三角形的底边顺次相连并与等腰梯形的长底边接触，所述V型槽的开口端面与等腰梯形的短边平齐，所述吸收阱(4)的内表面镀制黑漆涂料；所述外壳(5)形状与所述吸收阱(4)相适应；所述壳体(5)套在所述吸收阱(4)外部，所述衰减片组件位于吸收阱(4)的内部，所述两个伺服电机固连在壳体(5)前侧面或后侧面上，两个伺服电机的转轴分别穿过壳体(5)和吸收阱(4)的相应通孔与两个主动齿轮(1-3)固连，两个从动齿轮(1-4)分别通过各自的支撑轴及相应的轴承与壳体(5)连接，主动齿轮(1-3)与从动齿轮(1-4)啮合，两个主衰减片和两个补偿衰减片的中心均位于吸收阱(4)的轴线上且镀滤光膜的一面均迎向入射窗口，当主衰减片(1-1)和补偿衰减片(1-2)转动时，由所述入射窗口入射的光束经衰减片全部反射到吸收阱(4)上且不正入射到吸收阱(4)的各个微型吸收腔内，所述微型吸收腔是指相邻陷波突(4-1)与其中间V型槽构成的空间；所述计算机(6)内置有数据表和控制模块，数据表中给出了衰减片透过率与衰减片转角的对应数据；控制模块的功能是，当其接到人工输入的透过率值时，调用所述数据表查找出透过率所对应的衰减片转角值，驱动两个伺服电机转动；判断绝对码盘实时反馈的电机转动角度是否与查表获得的对应转角值相等，若为否，继续驱动两个伺服电机转动，若为是，控制伺服电机停止转动。

2.根据权利要求1所述透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其特征在于，所述相邻陷波突(4-1)之间的距离为25mm，所述等边三角形的边长为5mm，所述等腰梯形的上、下底边长分别为15mm、7.5mm，高为11.5mm。

3.根据权利要求1所述透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其特征在于，每个衰减片组件的从动齿轮为消空回齿轮结构。

4.根据权利要求1所述透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其特征在于，所述工作角的变化范围为15°～30°。

5.根据权利要求1所述透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其特征在于，所述黑漆涂料的发射率为0.98。

6.根据权利要求1所述透过率连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其特征在于，所述绝对码盘的控制精度为17位。

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