CN104238107A - 数字化可调光衰减器 - Google Patents

Abstract

一种数字化可调光衰减器，由输入镜，分束镜、棱镜对、压电元件、探测器，控制电路，输出镜，以及机盒组成，入射光从输入镜进入，在分束镜上分为两部分，其中反射光作为第一路参考光进入探测器，透射光进入前棱镜后在斜面处发生全反射，在棱镜间距为波长量级时，一部分光能够以倏逝波的形式进入后棱镜并从压电元件上小孔射出，再经输出镜后成为衰减后的输出光，另一部分光反射后作为第二路参考光进入另一探测器，前棱镜直接固定在机盒上，后棱镜连接在压电元件的前表面上，压电元件的后表面直接固定在机盒上。本发明结构简单，插入损耗小，衰减连续可调，精度高，输入输出光共线。棱镜对全反射斜面无需镀膜，光谱适用范围宽，光衰减可调节范围大。

Description

数字化可调光衰减器

技术领域

本发明涉及光衰减，特别是一种数字化可调光衰减器。

背景技术

在进行不同器件的光学互连或者对激光参数进行测定时，经常需要对激光光强进行衰减，实现这一功能的器件称为光衰减器。光衰减器大致可分为具有一定衰减量的固定光衰减器和衰减量可以调节的可调光衰减器，其中可调光衰减器使用最为广泛。

可调光衰减器根据其原理又可大致分为三类：机械式可调衰减器，波导型可调光衰减器以及光纤类可调光衰减器。机械式可调衰减器常采用步进电机拖动衰减片的方法进行调节，由于步进电机的移动非连续，导致采用这种方式的衰减器的调节值也是非连续的，并且精度有限；也有利用反射光和透射光对入射角依赖关系制作的可调光衰减器，但是输入输出光不共线，插入衰减器后要重新调节光路。波导型可调光衰减器常采用电极变化控制波导吸收率的方式控制衰减，这种方式插入损耗较大。光纤类可调光衰减器广泛应用于光纤通信和光网络中，对于激光在光纤以外其他介质中传播的激光，应用起来非常复杂。

发明内容

为了克服上述现有可调光衰减器的问题，本发明提供一种数字化可调光衰减器，该器件具有结构简单、插入损耗小、衰减连续可调、精度高、输入输出光共线等优点、适用于对各种介质中传输的激光进行衰减调节。

本发明的技术解决方案如下：

一种数字化可调光衰减器，其特点是：由输入窗口、分束镜、前棱镜对、后棱镜、压电元件、第一探测器、第二探测器、控制电路、输出窗口和机盒组成，所述的输入窗口和输出窗口分别固定在所述的机盒的前壁和后壁上，所述的前棱镜直接固定在机盒的內底上，后棱镜连接在压电元件的前表面上，该压电元件的后表面直接固定在机盒的內底上，所述的前棱镜和后棱镜构成斜面相对的棱镜对，所述的前棱镜和后棱镜之间的间距为波长量级，沿入射光方向依次是同光轴的输入窗口、分束镜、前棱镜、后棱镜、压电元件和输出窗口，入射光经输入窗口进入，在分束镜上分为反射光和透射光，所述的反射光作为第一路参考光进入第一探测器，透射光进入前棱镜后在斜面处发生全反射，反射光作为第二路参考光进入第二探测器，经前棱镜的一部分光以倏逝波的形式进入所述的后棱镜并经所述的压电元件上的中心小孔、输出窗口后成为衰减后的输出光，所述的压电元件在电压的控制下伸缩，带动所述的后棱镜沿光轴方向前后移动。

所述的前棱镜和后棱镜之间的间距为0～10微米，斜面角度一致，其角度对于入射光满足全反射条件。

所述的压电元件是压电陶瓷，或压电晶体。

所述的控制电路由显示模块、主控模块和操作面板组成，分别完成光衰减比和压电元件上电压值的显示，信号的采集和处理，压电元件上电压的控制，显示模块和操作面板固定于机盒的外表面，主控模块固定于机盒内。

所述的显示模块为显示器、显示屏或数码管。

所述的主控模块由第一ADC、第二ADC和第三ADC、主控芯片、数字模拟转换器(DAC)、和电压放大电路组成，第一ADC和第二ADC分别将第一探测器和第二探测器的模拟信号转换为数字信号后传给主控芯片处理，所述的ADC采集操作面板上设置的电压值转换为数字信号后传给主控芯片处理，主控芯片采集第一ADC和第二ADC的信号，并计算输出光的衰减比，再将衰减比发送到显示模块上显示，同时主控芯片还采集第三ADC的信号，计算后将信号传递给DAC，在DAC中转化为模拟电压信号，再经过电压放大电路放大后转换为压电元件上电压值，并连接到压电元件的电压控制线上，主控芯片也将压电元件上的实际电压值发送到显示模块上显示。

所述的操作面板上有电压粗调旋钮和电压精调精调旋钮，以手动调节压电元件上的电压值。

本发明的优点在于：

①本发明结构简单，元件较少，位置分配容易；棱镜对全反射斜面无需镀膜，加工工艺简单。

②本发明的插入损耗小，光从输入到输入只经过输入镜，分束镜，棱镜对和输出镜，由于激光基本正入射到各个元件上，插入损耗很小。

③本发明中光强衰减连续可调，精度高，由于操作面板上有粗调和精调旋钮，能够快速精确地调节压电元件的电压，并且由于控制电路可以实时探测，计算和显示衰减比，能够为电压控制提供反馈信息，因此能实现对输出光强度的连续高精度的调节。

④本发明中输入光输出光共线，衰减器的加入并不改变光的传输方向，因此无需调整后面光路，使用方便。

⑤本发明光谱适用范围宽，由于棱镜对全反射斜面对宽谱范围满足全反射条件，因此衰减的激光光谱范围宽。

⑥本发明在光衰减可调节范围大，棱镜对完全贴合时，透过很大；在棱镜对距离较大时可以使输出光完全消失，因此光衰减可调节范围大。

附图说明

图1为本发明数字化可调光衰减器的结构示意图；

图2为本发明数字化可调光衰减器中控制电路的结构示意图；

图3为本发明数字化可调光衰减器中控制电路控制流程图；

图中：101—输入窗口、102—输出窗口、110—分束镜、121—前棱镜、122—后棱镜、130—压电元件、141—探测器、142—探测镜、151—控制电路、160—机盒、211—显示模块，212—主控模块，213—操作面板、311—第一ADC、312—第二ADC、313—第三ADC、321—主控芯片、331—DAC、332—电压放大电路。

具体实施方式

以某场合下在空气中传播的激光的衰减为实施例，并结合附图对本发明的数字化可调光衰减器作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

首先请参照图1，图1为本发明数字化可调光衰减器的结构示意图。由图1可见，本发明数字化可调光衰减器，由输入窗口101，分束镜110、前棱镜121、后棱镜122、压电元件130、第一探测器141、第二探测器142、控制电路151、输出窗口102和机盒160组成，所述的输入窗口101和输出窗口102分别固定在所述的机盒160的前壁和后壁上，所述的前棱镜121直接固定在机盒160的內底上，后棱镜122连接在压电元件130的前表面上，该压电元件130的后表面直接固定在机盒160的內底上，沿入射光方向依次是同光轴的输入窗口101、分束镜110、前棱镜121、后棱镜122、压电元件130和输出窗口102，所述的前棱镜121和后棱镜122构成斜面相对的棱镜对，所述的前棱镜121和后棱镜122之间的间距为波长量级，入射光经输入窗口101进入，在分束镜110上分为反射光和透射光，所述的反射光作为第一路参考光进入第一探测器141，透射光进入前棱镜121后在斜面处发生反射，反射光作为第二路参考光进入第二探测器142，经前棱镜121的一部分光以倏逝波的形式进入所述的后棱镜122并经所述的压电元件上的中心小孔、输出窗口102后成为衰减后的输出光，所述的压电元件130在电压的控制下伸缩，带动所述的后棱镜122沿光轴方向前后移动。

所述的前棱镜121和后棱镜122之间的间距为0～10微米，斜面角度一致，其角度对于入射光满足全反射条件。

所述的压电元件130是压电陶瓷，或压电晶体。

其次请参考图2，图2为本发明数字化可调光衰减器中控制电路的结构示意图。由图2可见，所述的控制电路130由显示模块211，主控模块212，和操作面板213组成，分别完成光衰减比和压电元件130上电压值的显示，信号的采集和处理，压电元件130上电压的控制。所述的主控模块212由第一ADC311、第二ADC312和第三ADC313、主控芯片321、DAC331和电压放大电路332组成，第一ADC311和第二ADC312分别将第一探测器141和第二探测器142的模拟信号转换为数字信号后传给主控芯片321处理，第三ADC313采集操作面板213上设置的电压值转换为数字信号后传给主控芯片321处理，主控芯片321采集第一ADC311和第二ADC312的信号，并计算输出光的衰减比，再将衰减比发送到显示模块211上显示，同时主控芯片321还采集ADC313的信号，计算后将信号传递给DAC331，在DAC331中转化为模拟电压信号，再经过电压放大电路332放大后转换为压电元件130上电压值，并连接到压电元件130的电压控制线上，主控芯片321也将压电元件130上的实际电压值发送到显示模块211上显示。

第三请参考图3，图3为本发明数字化可调光衰减器中控制电路控制流程图。由图3可见，主控模块212开始工作时，首先采集操作面板213的旋钮状态，确定并调整提供给压电元件130的电压值，然后将电压值发送到显示模块211进行显示。接着主控模块212采集两个探测器的信号，计算衰减比，再讲计算出的衰减比发送到显示模块211进行显示。然后判断控制过程是否需要继续，如果不需要继续则停止，如果继续进行则返回重新执行。

根据两个探测器的信号确定衰减比的计算方式有很多，在此介绍其中一种。首先确定衰减器参数，设沿S方向偏振的入射光强度为I_I，经分束镜反射后的进入探测器141的激光强度为I_R1，经过前棱镜斜面反射后的进入探测器142的激光强度为I_R2，从输出镜射102出的衰减后的激光强度为I_O。明显地，由于分束镜具有固定的分束比，则I_I＝aI_R1，根据I_I和I_R1的测量结果可以计算出a。对于I_R2和I_O，满足I_I＝bI_R2+cI_O，b和c为系数。当棱镜对的间距改变时，I_R2和I_O的值也会改变，这样根据两次的测量结果即可确定系数b和c的值。对于一个数字化可调衰减器，其系数a，b和c是固定不变的，一旦测定后就可作为已知量用于此后的测量计算。

本实施例中假设需要将输入光按照比例R_X对S方向偏振光进行衰减。开始工作时，主控模块212首先采集操作面板213的旋钮状态，确定并调整提供给压电元件130的电压值，然后将电压值发送到显示模块211进行显示，假设此时电压值为V₀。接着主控模块212采集两个探测器141和142的信号，按照R＝(aI_R1-bI_R2)/(caI_R1)计算衰减比，再将计算出的衰减比发送到显示模块211进行显示。如果R_X<R则首先调节粗调旋钮，降低压电元件两端电压以增大棱镜对121和122之间的间距，使得R减小并接近于R_X，再调节精调旋钮，使得R_X＝R。如果R_X>R则首先调节粗调旋钮，增加压电元件两端电压以减小棱镜对121和122之间的间距，使得R增大并接近于R_X，再调节精调旋钮，使得R_X＝R。

Claims (7)

1.一种数字化可调光衰减器，其特征是：由输入窗口(101)，分束镜(110)、前棱镜对(121)、后棱镜(122)、压电元件(130)、第一探测器(141)、第二探测器(142)、控制电路(151)、输出窗口(102)和机盒(160)组成，所述的输入窗口(101)和输出窗口(102)分别固定在所述的机盒(160)的前壁和后壁上，所述的前棱镜(121)直接固定在机盒(160)的內底上，后棱镜(122)连接在压电元件(130)的前表面上，该压电元件(130)的后表面直接固定在机盒(160)的內底上，沿入射光方向依次是同光轴的输入窗口(101)、分束镜(110)、前棱镜(121)、后棱镜(122)、压电元件(130)和输出窗口(102)，所述的前棱镜(121)和后棱镜(122)构成斜面相对的棱镜对，所述的前棱镜(121)和后棱镜(122)之间的间距为波长量级，入射光经输入窗口(101)进入，在分束镜(110)上分为反射光和透射光，所述的反射光作为第一路参考光进入第一探测器(141)，透射光进入前棱镜(121)后在斜面处发生反射，反射光作为第二路参考光进入第二探测器(142)，经前棱镜(121)的一部分光以倏逝波的形式进入所述的后棱镜(122)并经所述的压电元件上的中心小孔、输出窗口(102)后成为衰减后的输出光，所述的压电元件(130)在电压的控制下伸缩，带动所述的后棱镜(122)沿光轴方向前后移动。

2.根据权利要求1所述的数字化可调光衰减器，其特征是：前棱镜(121)和后棱镜(122)之间的间距为0～10微米，斜面角度一致，其角度对于入射光满足全反射条件。

3.根据权利要求1所述的数字化可调光衰减器，其特征是：所述的压电元件(130)是压电陶瓷，或压电晶体。

4.根据权利要求1所述的数字化可调光衰减器，其特征是：所述的控制电路(130)由显示模块(211)、主控模块(212)和操作面板(213)组成，分别完成光衰减比和压电元件(130)上电压值的显示，信号的采集和处理，压电元件(130)上电压的控制，显示模块(211)和操作面板(213)固定于机盒(160)的外表面，主控模块(212)固定于机盒(160)内。

5.根据权利要求1或4所述的数字化可调光衰减器，其特征是：所述的显示模块(211)为显示器、显示屏或数码管。

6.根据权利要求4所述的数字化可调光衰减器，其特征是：所述的主控模块(212)由第一ADC(311)、第二ADC(312)和第三ADC(313)、主控芯片(321)、数字模拟转换器(DAC)(331)、和电压放大电路(332)组成，第一ADC(311)和第二ADC(312)分别将第一探测器(141)和第二探测器(142)的模拟信号转换为数字信号后传给主控芯片(321)处理，所述的ADC(313)采集操作面板(213)上设置的电压值转换为数字信号后传给主控芯片(321)处理，主控芯片(321)采集第一ADC(311)和第二ADC(312)的信号，并计算输出光的衰减比，再将衰减比发送到显示模块(211)上显示，同时主控芯片(321)还采集第三ADC(313)的信号，计算后将信号传递给DAC(331)，在DAC(331)中转化为模拟电压信号，再经过电压放大电路(332)放大后转换为压电元件(130)上电压值，并连接到压电元件(130)的电压控制线上，主控芯片(321)也将压电元件(130)上的实际电压值发送到显示模块(211)上显示。

7.根据权利要求4所述的数字化可调光衰减器，其特征是：所述的操作面板(213)上有电压粗调旋钮和电压精调精调旋钮，以手动调节压电元件(130)上的电压值。