專利名稱：小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種激光光強(qiáng)衰減裝置，特別是一種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，屬于激光器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于激光本身的強(qiáng)度和功率較高，在一些應(yīng)用場合常常會(huì)超過后繼器件對光強(qiáng)的承受能力，所以如果不對光強(qiáng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，勢必對后繼器件造成損傷。光強(qiáng)衰減器就是一種插入到光學(xué)回路中的器件，其目的是對光強(qiáng)進(jìn)行人工可控的衰減，使輸出光在強(qiáng)度或功率上滿足使用要求。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利申請?zhí)枮?130984，申請日期為2000.10.10，發(fā)明名稱為小型可調(diào)光強(qiáng)衰減器，該專利介紹的是一種機(jī)械調(diào)諧式光強(qiáng)衰減器，采用機(jī)械調(diào)諧的方法對光強(qiáng)進(jìn)行可控衰減。機(jī)械調(diào)諧式激光光強(qiáng)衰減器一般具有可調(diào)性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的不同程度衰減的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)的光學(xué)原理各不相同，比較常見的，如美國專利號為6130984，首先制作一衰減薄膜，其衰減系數(shù)在不同位置是不同而且連續(xù)變化的，利用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或手工調(diào)節(jié)改變衰減薄膜的位移，使光束通過薄膜的不同位置，從而獲取對光強(qiáng)的不同程度的衰減。這種機(jī)械調(diào)諧式光強(qiáng)衰減器的核心部件是衰減薄膜，其要求是薄膜厚度連續(xù)漸變，一般為了減少光強(qiáng)的損失還需在襯底上鍍減反膜。通過調(diào)節(jié)衰減薄膜的位置實(shí)現(xiàn)激光光強(qiáng)衰減的方法存在如下的不足1.薄膜制作工藝復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)衰減在不同位置是不同而且連續(xù)變化的，薄膜厚度也應(yīng)是連續(xù)變化的，這在制作過程中很難控制，不易做到大批量生產(chǎn)，相應(yīng)地造成成本較高；2.光強(qiáng)衰減可調(diào)范圍不是很大；3.同一工作狀態(tài)下(光束穿過薄膜的位置相同)，不同波長的光衰減相差比較大，這樣在實(shí)現(xiàn)對衰減大小的顯示時(shí)，不易做到統(tǒng)一化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，使其具有低插入損耗、偏振特性好、制作工藝簡單、價(jià)格低廉、小型化等高技術(shù)性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明主要包括光輸入部、光強(qiáng)衰減裝置、光輸出部、控制部，其聯(lián)接方式通過光路聯(lián)接，光輸入部位于整個(gè)衰減裝置的最前端，光線先經(jīng)光輸入部后入射到光強(qiáng)衰減裝置上，光強(qiáng)衰減裝置設(shè)置在控制部的角度旋轉(zhuǎn)部件上，控制部調(diào)節(jié)光線在光強(qiáng)衰減裝置上的入射角度，光線在光強(qiáng)衰減裝置上經(jīng)衰減后，通過光輸出部輸出。
光輸入部由平行部件和偏折部件構(gòu)成，待衰減的光線先經(jīng)過平行部件改善平行度，然后經(jīng)過偏折部件偏折后以一定角度入射到光強(qiáng)衰減裝置上，光線在光強(qiáng)衰減裝置的棱鏡薄膜界面經(jīng)過多次反射后，進(jìn)入到光輸出部。
光強(qiáng)衰減裝置是一個(gè)截面為等腰梯形的棱鏡，其上下底面分別涂有介質(zhì)薄膜，在上下表面介質(zhì)薄膜的折射率一定的情況下，嚴(yán)格控制薄膜的厚度，在同一折射率的情況下，其合適的厚度有多個(gè)。
光輸出部由偏折部件和平行部件構(gòu)成，先由偏折部件將出射光線的方向調(diào)整到與光輸入部上入射線方向一致，最后由平行部件處理成平行光輸出。
控制部由角度旋轉(zhuǎn)件和角度調(diào)節(jié)件構(gòu)成，角度調(diào)節(jié)部件通過傳動(dòng)件可以對角度旋轉(zhuǎn)部件和光強(qiáng)衰減裝置的工作角進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且通過調(diào)節(jié)光線在光強(qiáng)衰減裝置上的入射角度，達(dá)到控制光強(qiáng)衰減的目的。
為了保持在光強(qiáng)衰減裝置旋轉(zhuǎn)過程中光學(xué)棱鏡側(cè)面出射光點(diǎn)靜止，角度旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)軸位置應(yīng)確定如下首先，將光線由棱鏡側(cè)面正入射進(jìn)入棱鏡，在棱鏡內(nèi)經(jīng)過一系列反射，經(jīng)過路徑lp，最后由等腰棱鏡另一臂出射，在出射光點(diǎn)附近做一半徑r＝lp/np的圓(np是棱鏡折射率)與棱鏡入射臂及入射光線同時(shí)相切，以圓心作為旋轉(zhuǎn)軸即可。
選擇合適的棱鏡底角，使光束垂直棱鏡側(cè)面入射時(shí)其工作點(diǎn)大致在反射率曲線上升沿的頂點(diǎn)(全反射，衰減為0dB)，這樣能減小入射光束在棱鏡側(cè)面由于反射而損失的光強(qiáng)；選擇合適的棱鏡的高度和長度，可使光束在棱鏡上、下底面的反射次數(shù)增多(比如五次、七次等)。
整個(gè)裝置工作時(shí)，入射光先經(jīng)過平行部件改善平行度，然后由偏折部件偏折后輸入到光強(qiáng)衰減裝置，以一角度θ入射到其光學(xué)棱鏡的底面上，這時(shí)，光在棱鏡-薄膜界面發(fā)生多次反射，反射效率完全由控制部控制的光線的入射角度θ決定，隨著角度旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)，入射角θ變化，棱鏡-薄膜界面的反射效率變化，相應(yīng)的衰減量也發(fā)生變化。這樣，出射光的強(qiáng)度就完全能通過控制入射角的大小來調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)所需要的衰減效果。最后的出射光線經(jīng)過光輸出部的偏折成為與入射光在同一方向上的光線，再經(jīng)處理成為平行光。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明可用于光通訊和光信息處理等需要光強(qiáng)衰減的場合，也可用于精密測距、全息信息處理等需要對光束參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制的情況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用SOL-GEL法(溶膠-凝膠法)制得SiO2薄膜作為衰減器工作物質(zhì)，突出優(yōu)點(diǎn)是材料配置簡單、成本很低。因?yàn)镾OL-GEL法制備的溶膠通過提拉法涂膜，其厚度和折射率及其均一性都可以比較方便地得到控制；因?yàn)椴捎玫氖欠瓷湫退p結(jié)構(gòu)，所以，器件無傳輸損耗，插入損耗也較低；光強(qiáng)衰減裝置的消光比完全由隨角度改變而變化的反射率的最小值來決定，通過精確選擇、控制薄膜的厚度與折射率，采用三次反射，可以使反射光接近完全消光，而且調(diào)節(jié)的角度范圍也不大。故本光強(qiáng)衰減裝置的消光比可以很高(超過50dB)，同時(shí)可保持較好的PDL(偏振相關(guān)損耗)(小于0.5dB)。在不改變衰減裝置的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，通過增加光束在棱鏡底面的反射次數(shù)能得到更大程度的光強(qiáng)衰減和更小的偏振相關(guān)性，所以本發(fā)明同現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)、工藝簡單、價(jià)格低廉；(2)、消光比大；(3)、工作波長范圍大；(4)、偏振靈敏度??；(5)、插入損耗??；(6)、無傳輸損耗。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明各組成部分結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明帶光纖接頭的光強(qiáng)衰減器工作原理4本發(fā)明大孔徑激光光強(qiáng)衰減器工作原理圖具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明主要包括光輸入部1、光強(qiáng)衰減裝置2、光輸出部3、控制部4，其聯(lián)接方式通過光路聯(lián)接，光輸入部1位于整個(gè)衰減裝置的最前端，光線先經(jīng)光輸入部后入射到光強(qiáng)衰減裝置2上，光強(qiáng)衰減裝置2設(shè)置在控制部4的角度旋轉(zhuǎn)部件13上，控制部4調(diào)節(jié)光線在光強(qiáng)衰減裝置2上的入射角度，光線在光強(qiáng)衰減裝置2上經(jīng)衰減后，通過光輸出部3輸出。
光輸入部1由平行部件5和偏折部件6構(gòu)成，待衰減的光線先經(jīng)過平行部件5改善平行度，然后經(jīng)過偏折部件6偏折后以一定角度入射到光強(qiáng)衰減裝置2上。
光強(qiáng)衰減裝置2是一個(gè)截面為等腰梯形的棱鏡8，其上下底面分別涂有上表面介質(zhì)薄膜7和下表面介質(zhì)薄膜9，上下表面介質(zhì)薄膜7、9的厚度有多個(gè)。
光輸出部3由偏折部件10和平行部件11構(gòu)成，先由偏折部件10將出射光線的方向調(diào)整到與光輸入部1上入射線方向一致，然后由平行部件11處理成平行光輸出。
控制部4由角度旋轉(zhuǎn)件13和角度調(diào)節(jié)件12構(gòu)成，角度調(diào)節(jié)部件12通過傳動(dòng)件對角度旋轉(zhuǎn)部件13和光強(qiáng)衰減裝置2的工作角進(jìn)行調(diào)節(jié)。
角度旋轉(zhuǎn)件13的旋轉(zhuǎn)軸位置確定如下首先，將光線由棱鏡8側(cè)面正入射進(jìn)入棱鏡，在棱鏡8內(nèi)經(jīng)過一系列反射，經(jīng)過路徑lp，最后由等腰棱鏡8另一臂出射，在出射光點(diǎn)附近做一半徑r＝lp/np的圓與棱鏡8入射臂及入射光線同時(shí)相切，以圓心作為旋轉(zhuǎn)軸即可。
以下結(jié)合本發(fā)明的具體內(nèi)容，提供兩個(gè)實(shí)施例實(shí)施例一以帶光纖接頭的光強(qiáng)衰減器為例，光輸入部由光纖接頭14，光纖15和光纖自聚焦透鏡16組成，標(biāo)準(zhǔn)光纖接頭14可以很方便地與輸入光，如帶尾纖輸出的激光器，以光纖形式對接，自聚焦透鏡16使光線保持平行，光線從光輸入部1以固定方向入射到光強(qiáng)衰減裝置2上。
光強(qiáng)衰減裝置2由等腰梯形棱鏡8、上介質(zhì)薄膜7、下介質(zhì)薄膜9組成，光強(qiáng)衰減裝置2的參數(shù)設(shè)計(jì)以1.3μm為中心波長，若選擇其它波長作為工作波長，參數(shù)設(shè)計(jì)需重新優(yōu)化。光強(qiáng)衰減裝置2中，棱鏡8選用高折射率等腰梯形棱鏡(ZF7，n＝1.750，底角38.45°)，上下底面介質(zhì)薄膜7和9采用相同的SiO2薄膜，其折射率n＝1.32，厚度d＝0.340μm，可由溶膠-凝膠Sol-Gel法制得溶膠后通過提拉法制備，角度調(diào)節(jié)部件可由手動(dòng)或步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋微調(diào)儀21實(shí)現(xiàn)。角度旋轉(zhuǎn)部件由精密轉(zhuǎn)角儀20實(shí)現(xiàn)。
光輸出部由光纖自聚焦透鏡17，光纖18和光纖接頭19組成，其中自聚焦透鏡17改善輸出光的平行度，光纖接頭19用以和外部光纖器件對接，自聚焦透鏡17緊貼在光強(qiáng)衰減裝置2的光學(xué)棱鏡8的光束出射點(diǎn)上。
對于工作于不同的工作波長的衰減器，主要是靠改變光衰減部的各膜層的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例二以大孔徑激光光強(qiáng)衰減器為例，光輸入部2由入射窗口23，集光透鏡24和平面鏡25組成。集光透鏡24使光線保持平行。平面鏡25改變光傳播方向，使經(jīng)反射后的輸出光和輸入光保持在一條直線上。
光強(qiáng)衰減裝置2由等腰梯形棱鏡8，上介質(zhì)薄膜7，下介質(zhì)薄膜9組成，光強(qiáng)衰減裝置2的參數(shù)設(shè)計(jì)以1.3μm為中心波長，若選擇其它波長作為工作波長，參數(shù)設(shè)計(jì)需重新優(yōu)化。光強(qiáng)衰減裝置2中，棱鏡8選用高折射率等腰梯形棱鏡(ZF7，n＝1.750，底角38.45°)，上下底面介質(zhì)薄膜7和9采用相同SiO2薄膜，其折射率n＝1.32，厚度d＝0.340μm，可由SOL-GEL法制得。角度調(diào)節(jié)部件可由手動(dòng)或步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋微調(diào)儀21實(shí)現(xiàn)。
角度旋轉(zhuǎn)部件由精密轉(zhuǎn)角儀20實(shí)現(xiàn)，光輸出部由平面鏡26，集光透鏡27和出射窗口28組成，其中集光透鏡27改善輸出光的平行度，平面鏡26改變光傳播方向，使經(jīng)反射后的輸出光和輸入光保持在一條直線上。
權(quán)利要求
1.一種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，主要包括光輸入部(1)、光強(qiáng)衰減裝置(2)、光輸出部(3)、控制部(4)，其特征在于其聯(lián)接方式通過光路聯(lián)接，光輸入部(1)位于整個(gè)衰減裝置的最前端，光線先經(jīng)光輸入部(1)后入射到光強(qiáng)衰減裝置(2)上，光強(qiáng)衰減裝置(2)設(shè)置在控制部(4)的角度旋轉(zhuǎn)部件(13)上，控制部(4)調(diào)節(jié)光線在光強(qiáng)衰減裝置(2)上的入射角度，光線在光強(qiáng)衰減裝置(2)上經(jīng)衰減后，通過光輸出部(3)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，其特征是光輸入部(1)由平行部件(5)和偏折部件(6)構(gòu)成，待衰減的光線先經(jīng)過平行部件(5)，然后經(jīng)過偏折部件(6)偏折后以一定角度入射到光強(qiáng)衰減裝置(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，其特征是光強(qiáng)衰減裝置(2)是一個(gè)截面為等腰梯形的棱鏡(8)，其上下底面分別涂有上表面介質(zhì)薄膜(7)和下表面介質(zhì)薄膜(9)，上下表面介質(zhì)薄膜(7)、(9)的厚度有多個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，其特征是光輸出部(3)由偏折部件(10)和平行部件(11)構(gòu)成，先由偏折部件(10)將出射光線的方向調(diào)整到與光輸入部(1)上入射線方向一致，然后由平行部件(11)處理成平行光輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，其特征是控制部(4)由角度旋轉(zhuǎn)件(13)和角度調(diào)節(jié)件(12)構(gòu)成，角度調(diào)節(jié)部件(12)通過傳動(dòng)件對角度旋轉(zhuǎn)部件(13)和光強(qiáng)衰減裝置(2)的工作角進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的這種小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置，其特征是角度旋轉(zhuǎn)件(13)的旋轉(zhuǎn)軸位置確定如下首先，將光線由棱鏡(8)側(cè)面正入射進(jìn)入棱鏡，在棱鏡(8)內(nèi)經(jīng)過一系列反射，經(jīng)過路徑lp，最后由等腰棱鏡(8)另一臂出射，在出射光點(diǎn)附近做一半徑r＝lp/np的圓與棱鏡(8)入射臂及入射光線同時(shí)相切，以圓心作為旋轉(zhuǎn)軸。
全文摘要
小型機(jī)械式可變激光光強(qiáng)衰減裝置屬于激光器件領(lǐng)域。主要包括光輸入部、光強(qiáng)衰減裝置、光輸出部、控制部，其聯(lián)接方式通過光路聯(lián)接，光輸入部位于整個(gè)裝置最前端，光線先經(jīng)光輸入部后入射到光強(qiáng)衰減裝置上，光強(qiáng)衰減裝置設(shè)置在控制部的角度旋轉(zhuǎn)部件上，控制部調(diào)節(jié)光線在光強(qiáng)衰減裝置上入射角度，光線在光強(qiáng)衰減裝置上經(jīng)衰減后，通過光輸出部輸出。本發(fā)明用于光通訊和光信息處理等需要光強(qiáng)衰減的場合，也可用于精密測距、全息信息處理等需要對光束參數(shù)進(jìn)行控制的情況，同現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)相比較，其工藝簡單，價(jià)格低廉，消光比大，工作波長范圍大，偏振靈敏度小，插入損耗小，無傳輸損耗。
文檔編號G02B26/02GK1403841SQ02136830
公開日2003年3月19日 申請日期2002年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月5日
發(fā)明者曹莊琪, 劉志強(qiáng), 沈啟舜, 陳洸, 袁文 申請人:上海交通大學(xué)