CN103543524B - 能够保持原偏振态的连续衰减器 - Google Patents
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Abstract
能够保持原偏振态的连续衰减器属于光学检测技术领域。现有技术被测偏振光衰减后偏振态发生改变。本发明采用水平斜方棱镜和垂直斜方棱镜，二者是两块相同的斜方棱镜，轴线过棱镜侧面几何中心且与棱镜侧面垂直，两块斜方棱镜轴线呈空间垂直关系，水平斜方棱镜的出射面与垂直斜方棱镜的入射面相对；水平转台、垂直转台分别承载水平斜方棱镜、垂直斜方棱镜，分别由水平电机、垂直电机同步、同向驱动，水平斜方棱镜、垂直斜方棱镜分别配有水平圆光栅、垂直圆光栅；水平圆光栅、垂直圆光栅分别与信号采集与处理系统呈角度信号传输关系；信号采集与处理系统接衰减系数控制系统；衰减系数控制系统与垂直电机、水平电机分别呈驱动控制信号传输关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够保持原偏振态的连续衰减器，属于光学检测技术领域。
背景技术
有些光学检测项目要求衰减被检光束的强度，如激光通信检测，为了实现非现场检测，需要模拟传输了某一通信距离的激光，这就需要对该激光进行能量衰减。
在现有技术中，有一种“基于内反射效应的可变光学衰减器”，见中国《光学学报》第23卷第7期。该方案由激光器1、反射镜2、起偏镜3、棱镜4、反射膜5、探测器6、A/D转换器7、测角仪8、步进电机9、计算机10构成，如图1所示。激光器1发射的某一波长如832nm的激光由反射镜2反射到起偏镜3，偏振光入射棱镜4，棱镜4为等腰梯形棱镜，上、下底面涂覆有反射膜5，入射光束在棱镜4内被三次反射后出射到探测器6，获得的探测信号由A/D转换器7转换为数字信号，该数字信号被传输给计算机10，由计算机10计算得到衰减后的光的强度；步进电机9通过驱动测角仪8调整棱镜4姿态，从而改变被测偏振光的入射角，同时将入射角度信息传输给计算机10。每一个入射角对应一个光的强度值，实现了光的连续衰减。
现有技术存在的问题在于被测偏振光的偏振态在入射棱镜4前和出射棱镜4后发生了改变，如果采用该方案模拟传输了某一通信距离的激光，该通信激光实际上发生了失真。另外，所述现有技术需要调整反射膜5的膜厚以适应不同波长的光的衰减，因此，现有技术不具有宽光谱的特点。
发明内容
为了在衰减被测偏振光的同时能够保持其偏振态不变，并且，能够连续衰减，具有较宽的衰减光谱，我们发明了一种能够保持原偏振态的连续衰减器。
本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器包含有能够实现内反射的棱镜，其特征在于，所述棱镜包括水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12，如图2所示，水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12是两块相同的斜方棱镜，轴线过棱镜侧面几何中心且与棱镜侧面垂直，水平斜方棱镜11的轴线与垂直斜方棱镜12的轴线呈空间垂直关系，水平斜方棱镜11的出射面与垂直斜方棱镜12的入射面相对；水平转台、垂直转台分别承载水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12，如图3所示，水平转台、垂直转台分别由水平电机、垂直电机同步、同向驱动，水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12分别配有水平圆光栅、垂直圆光栅；水平圆光栅、垂直圆光栅分别与信号采集与处理系统呈角度信号传输关系；信号采集与处理系统接衰减系数控制系统；衰减系数控制系统与垂直电机、水平电机分别呈驱动控制信号传输关系。
本发明其技术效果在于，被测偏振光自水平斜方棱镜11的入射面入射，先后由其两个反射工作面反射衰减，再由其出射面出射，如图2、图4所示；完成一次衰减后的被测偏振光自垂直斜方棱镜12的入射面入射，先后由其两个反射工作面反射，再由其出射面出射，完成二次衰减。与现有技术相比，本发明也是通过棱镜内反射实现光束强度衰减的，但是，在本发明中，被测偏振光经过四次棱镜内反射，衰减系数β能够达到50dB，而所述现有技术达到20dB时其误差就已经有1dB了。另外，根据被测偏振光波长λ、棱镜折射率n、棱镜温度t以及根据衰减需要所确定的衰减系数β，得到被测偏振光在所述四次反射过程应当具有的入射角θ，由衰减系数控制系统将该入射角θ作为控制信号传输给电机，驱动转台使两个斜方棱镜绕各自轴线同步、同向转动，如图3、图4所示，所谓同向是指两个斜方棱镜要么均顺时针转动，要么均逆时针转动。根据衰减需要所确定的衰减系数β不同，所得到的入射角θ不同，入射角θ在从布儒斯特角到临界角范围内连续变化，由此实现光束能量的连续衰减，也就是被测偏振光强度的连续可调衰减。在衰减过程中圆光栅将斜方棱镜的位置信息和转动角度信息传输给信号采集与处理系统，经过处理后再传输给衰减系数控制系统，形成闭环控制，实现能量衰减的精确控制。如果需要衰减的被测偏振光波长λ改变，棱镜折射率n改变，再根据衰减需要确定衰减系数β，由此确定入射角θ，即可实现该被测偏振光的衰减。可见，本发明之衰减器能够实现较宽范围波长的光的衰减，实际上本发明的衰减光谱能够达到380～1560nm。本发明最显著的效果在于，两个斜方棱镜本身完全相同，转动角度、转动方向完全相同，但是，两个斜方棱镜轴线彼此相互垂直，因此，被测偏振光在两个斜方棱镜中的偏振态改变存在相互补偿关系，如在水平斜方棱镜11中，反射光中的P波、S波的反射系数不同，光束偏振态发生改变，但是，当该光束在垂直斜方棱镜12中反射时，P波、S波“角色”反串，光束偏振态发生相反改变，但是，幅度相同，所以，经过衰减的被测偏振光与未衰减之前相比，偏振态等于未发生变化，可见，本发明具有保持被测偏振光原偏振态的功能，并且被测偏振光偏振度在衰减前后不变。
本发明还具有以下附带效果。一是本发明被测偏振光的输入光路与输出光路平行，这使得本发明之衰减器能够容易地与反射及接收被测偏振光的装置配合，如置于激光通信光端机之间即可进行衰减。二是经过衰减的被测偏振光的波像差很小，也就是说衰减对光束波前的影响很小，如优于λ/40(RMS值，970nm)、λ/6(P-V值，970nm)，这是因为，棱镜的反射面均为平面，面形加工精度高。
附图说明
图1是现有基于内反射效应的可变光学衰减器结构及衰减过程示意图。图2是本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器中的两块斜方棱镜形状及相互位置关系示意图，该图同时作为摘要附图。图3是本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器整体结构示意图。图4是被测偏振光通过本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器中的两块斜方棱镜光路示意图。
具体实施方式
本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器包含有能够实现内反射的棱镜。所述棱镜包括水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12，如图2所示，水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12是两块相同的斜方棱镜，轴线过棱镜侧面几何中心且与棱镜侧面垂直，水平斜方棱镜11的轴线与垂直斜方棱镜12的轴线呈空间垂直关系，水平斜方棱镜11的出射面与垂直斜方棱镜12的入射面相对。水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12的入射面和出射面镀380～1560nm增透膜。水平斜方棱镜11和垂直斜方棱镜12的材料为N-LAF2玻璃，该材料能够满足以下要求：（1）布儒斯特角与临界角之差适中。如果这两个角度的差值过大，会导致斜方棱镜连续衰减时转角过大，为保证有效通光口径，斜方棱镜的体积必然增大；如果这两个角度的差值过小，衰减精度会降低。（2）斜方棱镜在380～1560nm范围内具有高透过率。（3）适于光学冷加工，无毒环保。水平棱镜光陷阱位于水平斜方棱镜11反射面外侧，垂直棱镜光陷阱位于垂直斜方棱镜12反射面外侧，如图3所示，由所述光陷阱吸收被测偏振光在棱镜反射面反射时的透射部分。水平转台、垂直转台分别承载水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12，如图3所示，水平转台、垂直转台分别由水平电机、垂直电机驱动，水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12分别配有水平圆光栅、垂直圆光栅；水平圆光栅、垂直圆光栅分别与信号采集与处理系统呈角度信号传输关系；信号采集与处理系统接衰减系数控制系统；衰减系数控制系统与垂直电机、水平电机分别呈驱动控制信号传输关系。定标数据库与衰减系数控制系统呈衰减数据交互传输关系，如图3所示，定标数据库与衰减系数控制系统由一台计算机担当。在定标数据库中，储存若干个波长λ的被测偏振光的衰减数据。所述若干个波长在以下波段选取：380～840nm、970～980nm、1530～1560nm，衰减系数控制系统根据所选取的波长λ、与波长λ对应的棱镜折射率n、实时的棱镜温度t以及根据衰减需要所确定的衰减系数β，得到所选取的波长λ的被测偏振光在水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12中反射应当具有的入射角θ，并存入定标数据库。在之后的衰减过程中，由衰减系数控制系统自定标数据库读取该入射角θ作为控制信号传输给电机。温度传感装置临近水平斜方棱镜11、垂直斜方棱镜12，温度传感装置与衰减系数控制系统呈温度信号传输关系，如图3所示，实时将棱镜温度t信号传输给衰减系数控制系统。在所述入射角θ的确定过程中，将棱镜温度t作为一个自变量，能够实现被测衰减光的精确衰减。
自垂直斜方棱镜12的出射面出射的被测偏振光照射到探测器上，获得的探测信号由A/D转换器转换为数字信号，该数字信号被传输给计算机，由计算机计算得到衰减后的光的强度。由此验证拟衰减目标。所述计算机与担当定标数据库与衰减系数控制系统的计算机为同一台计算机。
本发明之能够保持原偏振态的连续衰减器的其他一些参数如下：
1、工作波长：380～840nm、970～980nm、1530～1560nm；
2、有效通光孔径：≥40mm；
3、被测偏振光输入光功率：≥2W；
4、能量衰减系数：2～50dB；
5、能量衰减精度：优于0.5%；
6、波像差：优于λ/40(RMS值，970nm)、λ/6(P-V值，970nm)；
7、出射光束同轴度：小于50μrad；
8、调整速度：小于30s；
9、工作温度：15～25℃。
Claims (5)
1.一种能够保持原偏振态的连续衰减器，包含有能够实现内反射的棱镜，其特征在于，所述棱镜包括水平斜方棱镜(11)和垂直斜方棱镜(12)，水平斜方棱镜(11)和垂直斜方棱镜(12)是两块相同的斜方棱镜，轴线过棱镜侧面几何中心且与棱镜侧面垂直，水平斜方棱镜(11)的轴线与垂直斜方棱镜(12)的轴线呈空间垂直关系，水平斜方棱镜(11)的出射面与垂直斜方棱镜(12)的入射面相对；水平转台、垂直转台分别承载水平斜方棱镜(11)、垂直斜方棱镜(12)，水平转台、垂直转台分别由水平电机、垂直电机同步、同向驱动，水平斜方棱镜(11)、垂直斜方棱镜(12)分别配有水平圆光栅、垂直圆光栅；水平圆光栅、垂直圆光栅分别与信号采集与处理系统呈角度信号传输关系；信号采集与处理系统接衰减系数控制系统；衰减系数控制系统分别与垂直电机、水平电机呈驱动控制信号传输关系。
2.根据权利要求1所述的能够保持原偏振态的连续衰减器，其特征在于，水平斜方棱镜(11)和垂直斜方棱镜(12)的入射面和出射面镀380～1560nm增透膜。
3.根据权利要求1所述的能够保持原偏振态的连续衰减器，其特征在于，水平棱镜光陷阱位于水平斜方棱镜(11)反射面外侧，垂直棱镜光陷阱位于垂直斜方棱镜(12)反射面外侧。
4.根据权利要求1所述的能够保持原偏振态的连续衰减器，其特征在于，定标数据库与衰减系数控制系统呈衰减数据交互传输关系，定标数据库与衰减系数控制系统由一台计算机担当；在定标数据库中，储存若干个波长λ的被测偏振光的衰减数据。
5.根据权利要求1所述的能够保持原偏振态的连续衰减器，其特征在于，温度传感装置临近水平斜方棱镜(11)、垂直斜方棱镜(12)，温度传感装置与衰减系数控制系统呈温度信号传输关系。
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