專利名稱：一種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的方法及衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光能衰減領(lǐng)域，具體涉及一種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的
方法，及應(yīng)用上述方法的光衰減器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代模擬以及探測技術(shù)的不斷發(fā)展，對光電設(shè)備仿真參數(shù)的要求越來越高。 這其中，系統(tǒng)出光強(qiáng)度的變化范圍、變化精度及連續(xù)性往往成為設(shè)備的重要指標(biāo)。為了減小 系統(tǒng)的體積與重量，傳統(tǒng)的濾光膜式漸變衰減器由于體積、精度等問題，不宜在此采用?；?于以上考慮，光學(xué)設(shè)備中常采用一種基于偏振光原理的組合衰減器。 偏振片是最常用的光學(xué)器件之一，它是將入射光束分解為兩個正交形式的光束， 并使這兩束光以不同強(qiáng)度透過的一種光學(xué)元器件。由于自然光通過偏振片后其能量有所衰 減，在光學(xué)系統(tǒng)工程中，偏振片常被用做光束能量的衰減裝置。理想偏振片只允許沿某一方 向振動的線偏振光完全透過，這個方向被稱為透光軸；而振動方向與此軸相垂直的另一線 偏振光則被全部截住，稱這個與透光軸正交的方向?yàn)橄廨S。偏振片組可以達(dá)到的最小衰 光率稱為消光比。 采用偏振片組進(jìn)行衰光的光學(xué)系統(tǒng)，其衰光率最小即為消光比。大量文獻(xiàn)認(rèn)為極 低的衰光率不能由偏振片組獲得。(如蔡希潔等人于1999年發(fā)表在《中國激光》第26巻第 1期"用于精密衰減控制的半波片和偏振片組合裝置"一文)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將有固定衰光率的濾光片與偏振片組進(jìn)行組合，通過精確控制濾光片進(jìn)入 偏振片組光路的時機(jī)，從而擴(kuò)展了偏振片的衰光范圍，并實(shí)現(xiàn)了衰光率的連續(xù)變化。由上述 濾光片和偏振片組所組成的衰減器適用于需對光束進(jìn)行光強(qiáng)高量級光束衰減、最大衰光率 低于偏振片組固有的消光比、且需要實(shí)現(xiàn)對衰光率連續(xù)、精密的控制的光學(xué)系統(tǒng)。具體采用 如下技術(shù)方案 —種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的方法，包括 首先，對由兩片偏振片組成的偏振片組從起始零位開始進(jìn)行連續(xù)衰光控制，即將 兩片偏振片繞主光軸中心進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)； 其次，在旋轉(zhuǎn)到所述兩片偏振片的透光軸成一定夾角時將濾光片插入所述偏振片 組的光路中； 然后，將上述偏振片組重新置為起始零位，此時再次相對旋轉(zhuǎn)偏振片組進(jìn)行衰光 控制，即獲得連續(xù)、且小于所述偏振片組固有消光比的衰光率； 其特征在于，所述一定夾角為使得偏振片組的衰光率等于所述濾光片的衰光率時 的角度。 進(jìn)一步地，所述透光軸夾角與偏振片組的衰光率存在如下關(guān)系
3<formula>formula see original document page 4</formula> 其中，I2為出射光強(qiáng)，Imax為最大出射光強(qiáng)，e為偏振器組消光軸透射分量的電矢 量與透光軸透射分量的電矢量振幅比。 進(jìn)一步地，所述的起始零位確定為偏振片組的兩偏振片的透光軸夾角為Ji/24 時。 —種實(shí)現(xiàn)上述方法的衰減器，包括 控制電機(jī)、濾光片及其支架、偏振片組、驅(qū)動齒輪，以及 齒圈，設(shè)在偏振片組上，控制電機(jī)通過驅(qū)動齒輪與上述齒圈嚙合從而驅(qū)動所述偏 振片組的相對旋轉(zhuǎn)， 齒條滑槽，用于容納齒條以驅(qū)動濾光片通過其支架插入到偏振片組的光路中，
其特征在于，在所述偏振片組相對旋轉(zhuǎn)到其衰光率等于所述濾光片的透過率時插 入所述濾光片。 進(jìn)一步地，所述偏振片組相對旋轉(zhuǎn)的角度與偏振片組的衰光率存在如下關(guān)系
t/2 cos2夕+ 26Xos6sinS + 2f2 sin2 P-2s3 cos^sinP + s4 cos2 6
『=7~ =-^~~i-，
7鵬 1+e 其中，I2為出射光強(qiáng)，Imax為最大出射光強(qiáng)，e為偏振器組消光軸透射分量的電矢 量與透光軸透射分量的電矢量振幅比。 本發(fā)明通過將兩片偏振片P2的光軸從處于初始狀態(tài)(即邏輯零位)的某一相 對角度開始相對旋轉(zhuǎn)作連續(xù)衰光控制，待到偏振片組的衰光率達(dá)到濾光片的衰光率時，將 濾光片與偏振片組進(jìn)行組合，之后將偏振片組重置為初始狀態(tài)，再次進(jìn)行連續(xù)衰減，即可實(shí) 現(xiàn)組合裝置(即衰減器)的衰光率連續(xù)變化。這樣，相當(dāng)于進(jìn)行了二次濾光，可以得到高量 級的衰減范圍。衰減器光能量衰減的精度由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度控制。


圖1偏振片組和濾光片的組合衰減器。 圖2相對旋轉(zhuǎn)后的非理想偏振片組出射光的電矢量描述。 圖3衰減器結(jié)構(gòu)圖。 圖4衰減器衰光率隨夾角e的變化率。 圖5衰減器的衰光率，其中圖5(a)表示插入濾光片前，圖5 (b)表示插入濾光片 后。
具體實(shí)施例方式
實(shí)際的偏振片均為非理想的。其與理想偏振片的差別是，光束透射后，消光軸的光 線有殘余，所得到的不是完全的線偏振光，而是部分偏振光。因此，即使此時兩個偏振器的 透光軸互相垂直，透射光強(qiáng)也不為零。這時偏振器相對被測偏振器轉(zhuǎn)動時的最小透射光強(qiáng) 與兩偏振器透光軸互相平行時的最大透射光強(qiáng)之比稱為消光比。其中e為偏振器消光軸 透射分量與透光軸透射分量的電矢量振幅比，e 二Ey/E,，E,為透光軸透射分量的電矢量振
4幅，Ey為消光軸透射分量的電矢量振幅。偏振片的消光比可以表示為^。若實(shí)際應(yīng)用中需 要獲得極低衰光率，一般偏振片的消光比難以達(dá)到要求。本發(fā)明通過加入一個有固定衰光 率的濾光片，實(shí)現(xiàn)了組合裝置總衰光率小于偏振片組固有消光比且可連續(xù)控制的效果。 要保持衰光器機(jī)構(gòu)連續(xù)的衰光，必須確保在濾光片進(jìn)入衰減光路的時刻，偏振片 組的實(shí)時衰光率與濾光片的固定透過率一致。即需要得出非理想偏振片的衰光率與其透光
軸夾角e的關(guān)系表達(dá)式。 偏振衰減裝置如圖1。利用瓊斯矢量法分析非理想偏振片的衰光率。設(shè)偏振片 P2的透光軸分別為Xp^，當(dāng)P2相對于PJ定轉(zhuǎn)e角時，建立如圖2所示的電矢量示意圖
—A, 取通過P工的偏振光的電矢量為



為
根據(jù)圖2，其兩分量在P2透光軸和消光軸上的投影A。Bn可以表示為 = A丄cos 9 +B1sin 9
(1)
Bn = (-A丄sin 9 e ) e
將這兩個分量在Xl、 yi軸上再-
-次投影，得到出射光的兩個分量4、82，可以表示A。
Af cos 9 _Bnsin 9
(2)
cos《sin 6—(-4一
1
陽A一
(3)
B2 = A"in 9 +Bncos 9 由(1) 、 (2)得到:
cosP -sinP sinP cos^
(3)式中u即PpP2透光軸夾角為e時非理想偏振片的瓊斯矩陣表達(dá)式
cos2<9 + fsin2^ (l-s)sin^cos^ (l一f)sin^cos^ sin2e + fcos2P_
通過第一片偏振片后的光矢量為
r
(4)
《=
(5)
經(jīng)過第二片偏振片后，其瓊斯矢量的表達(dá)式為
￡2 = t/E;
cos2 <9 + ￡■ sin2 e + f(cos 6> sin e - ￡ sin <9 cos <9)
(6)
(1 一 ￡ ) cos sin 5* + f(sin2 ^ + f cos2 <9)
由式(6)可知，該經(jīng)過第二片偏振片后的部分偏振光的光強(qiáng)12可以表示為兩片偏
振片透光軸夾角e的函數(shù)，即 I2 = |e2|2 = [cos29 + e sin29 + e (1- e )cos 9 sin 9 ]2+[(l_ e ) cos 9 sin 9 + e (sin2 9 + e cos2 9 )]2 當(dāng)e = arctan e時，I2最大值為1+ e 4，即出射光的最大光強(qiáng)Imax。偏振片組的衰光率定義為出射光強(qiáng)I2與最大出射光強(qiáng)Imax的比值。由此可以得到衰光率函數(shù)
t/2 cos2^ + 2scosesine + 2f2sin261 —2 cos6^sin6^ + f4cos2(9 [,]7 =廠=--- (7)
J匪 1卞& 分析該函數(shù)可知其最大值Tmax和最小值Tmin別為
T隨=1 Tmin = e 2 (8) 從以上分析可以看出，兩片偏振片的組合，其衰光率的變化范圍為1 ￡2。要獲得 更小的衰光率值，在偏振片組合之外，加入一片濾光片，并采用電機(jī)控制插入衰減光路中。 濾光片的衰光率為一固定值。當(dāng)偏振片組相對旋轉(zhuǎn)，其衰光率T達(dá)到濾光片的衰光率L時， 濾光片插入光路中，同時將偏振片回轉(zhuǎn)至邏輯零位處。此時再次旋轉(zhuǎn)偏振片進(jìn)行工作，由
將、〉 在本實(shí)施方式中，衰光率需求為^^，而一般偏振片的消光比均大于這個值。極
于濾光片在偏振片組合的光路中，此時由偏振片組和濾光片組成的衰減器的總衰光率會變 為TT"衰光率變化范圍為L e2l\。經(jīng)過兩個衰光過程，該衰減器的衰光率變化范圍為 l e2l\。以上分析可以看出，該方法利用濾光片的衰光能力將偏振片組衰光率的最小值 進(jìn)一步減小1\倍，提高了衰光能力，且衰光連續(xù)性可以精確控制。
如圖3所示，衰減器包括如下部件 控制電機(jī)l，濾光片2，齒圈3，驅(qū)動齒輪4，偏振片組5，整體支架6以及齒條滑槽。 齒圈3設(shè)在偏振片組4上，控制電機(jī)1通過驅(qū)動齒輪4與上述齒圈3嚙合從而驅(qū)動所述偏振 片組4的相對旋轉(zhuǎn)。齒條滑槽用于容納齒條以驅(qū)動濾光片2插入到偏振片組5的光路中。
2xT(T
少數(shù)偏振片可達(dá)到此要求，但是成本很高，且在極低衰光率時由于各種誤差，精度較低。使
用本發(fā)明的衰光方法，偏振片組的消光比與濾光片衰光率之積應(yīng)小于^4^ 。根據(jù)各大公
2x10
司產(chǎn)品的常見參數(shù)，對比了不同組合時的實(shí)際情況，我們選擇消光比為1X10—5的偏振片組 Pl、 P2， 口徑為①20mm，透光軸透過率達(dá)到99. 99%。濾光片F(xiàn)通光口徑為。25. 4mm，固定 衰光率為0.01。采用本發(fā)明的方法，上述器件組合的最大衰光能力可達(dá)1X10一7。
此時，當(dāng)濾光片衰光率為0.01時，令式(4)中偏振片組的衰光率T二0.01，算出偏 振片組中兩偏振片透光軸夾角9 =84.4° 。衰減器的衰減精度由侍服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度控 制，所以機(jī)械調(diào)整裝置伺服電機(jī)每步的角偏轉(zhuǎn)量決定了衰減裝置的控制精度。偏振片組的
衰光率T隨e的變化率為dT/de ，變化的曲線如圖3所示，并可以得出在e =45.8°時， dT/de取極小值，該極小值(dT/de)min =-i。只要確定了最小控制精度AT。，則侍服電機(jī) 每步的角偏轉(zhuǎn)量a e ^p可用式(9)求出 A e,< I AV(dT/de)mJ (9) 設(shè)備需求最小精度為AT。 = 0. 1%，由于AT。/(dT/de)min = -l，所以只要使 A e step < lmrad(l毫弧度)便能滿足要求，即電機(jī)每步最小走過3. 4'。
電機(jī)運(yùn)動參數(shù)為2500st印/360。，約8. 6' /st印，選擇傳動比為l : 7，實(shí)際的步 進(jìn)角度為8. 6/7 = 1. 2' /st印，滿足系統(tǒng)的高精度要求。 由于本實(shí)施例中系統(tǒng)實(shí)際需求的衰光率(:^^)大于所選器件實(shí)際可以達(dá)到的
2x10
最大衰光率(1X10—7)，開始工作時，可以取衰光率不為1的角度為邏輯零位，這樣全部衰光 過程的描述函數(shù)直線性相對較好。我們?nèi)」廨S夾角為n/24作為邏輯零位，此時的偏振片組衰光率為T'，插入濾光片前需要將衰光率調(diào)至0.01。旋轉(zhuǎn)電機(jī)，插入濾光片后將旋轉(zhuǎn)的
偏振片調(diào)回邏輯零位，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)偏振片至組合衰光率為邏輯零位衰光率的^4^，即為
2x10
TT^T'，由于電機(jī)的步進(jìn)偏差，應(yīng)取衰光率最接近^^T'的步數(shù)，令此衰光率為T〃 。根 2x10 2xl00
據(jù)電機(jī)以及齒輪參數(shù)，可將兩偏振片透光軸夾角9在0-90°之間按步進(jìn)分為2500X7/4 = 4375步，算出每一步對應(yīng)的衰光率值，將以上幾個關(guān)鍵數(shù)值以表1形式列舉如下
表1操作起止點(diǎn)以及相應(yīng)衰光率
插入濾光片前插入濾光片后起始旋轉(zhuǎn)點(diǎn)終止旋轉(zhuǎn)點(diǎn)起始旋轉(zhuǎn)點(diǎn)終止旋轉(zhuǎn)點(diǎn)
步數(shù)58341115834368
角度7. 5。84. 5。7.5°89. 8。
衰光率9. 58X10—1 (T')9. 58X10—39. 58X10—34. 22X10—7(T") 從表1可看出，衰減器可以完成:^^的衰光率，并且在插入濾光片的斷點(diǎn)，衰光
2x10
率變化是連續(xù)的。圖4為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線的對比。實(shí)測值與理論值的偏差在1%以內(nèi)， 與理論符合較好。
權(quán)利要求
一種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的方法，包括首先，對由兩片偏振片組成的偏振片組從起始零位開始進(jìn)行連續(xù)衰光控制，即將兩片偏振片繞主光軸中心進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)；其次，在旋轉(zhuǎn)到所述兩片偏振片的透光軸成一定夾角時將濾光片插入所述偏振片組的光路中；然后，將上述偏振片組重新置為起始零位，此時再次相對旋轉(zhuǎn)偏振片組進(jìn)行衰光控制，即獲得連續(xù)、且小于所述偏振片組固有消光比的衰光率；其特征在于，所述一定夾角為使得偏振片組的衰光率等于所述濾光片的衰光率時的角度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述透光軸夾角e與偏振片組的衰光率 存在如下關(guān)系cos2 P + 2s cos 5 sin P + 26*2 sin2 6 — 2s3 cos《sin P + cos2 P7隨 i+s4 '其中，12為出射光強(qiáng)，1_為最大出射光強(qiáng)，e為偏振器組消光軸透射分量的電矢量與 透光軸透射分量的電矢量振幅比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述最大出射光強(qiáng)1_在所述夾角e =arctan e時取得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述的起始零位確定為偏振 片組的兩偏振片的透光軸夾角為n/24時。
5. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求l-4任一項(xiàng)所述方法的衰減器，包括控制電機(jī)1，濾光片2，齒圈3，驅(qū)動齒輪4，偏振片組5，整體支架6以及齒條滑槽，齒圈 3設(shè)在偏振片組4上，控制電機(jī)1通過驅(qū)動齒輪4與上述齒圈3嚙合從而驅(qū)動所述偏振片組 4的相對旋轉(zhuǎn)，齒條滑槽用于容納齒條以驅(qū)動濾光片2插入到偏振片組5的光路中，其特征在于，在所述偏振片組相對旋轉(zhuǎn)到其衰光率等于所述濾光片的透過率時插入所 述濾光片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的衰減器，其特征在于，所述偏振片組相對旋轉(zhuǎn)時，所述兩片偏 振片的透光軸所成的夾角9與偏振片組的衰光率存在如下關(guān)系<formula>formula see original document page 2</formula>其中，12為出射光強(qiáng)，1_為最大出射光強(qiáng)，e為偏振器組消光軸透射分量與透光軸透 射分量的電矢量振幅比。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的衰減器，其特征在于，所述最大出射光強(qiáng)Imax在所述夾角e =arctan e時取得。
全文摘要
一種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的方法及衰減器，涉及光能衰減領(lǐng)域，具體涉及一種獲取衰光率連續(xù)且小于偏振片消光比的方法，及應(yīng)用此方法的衰減器，實(shí)際的非理想偏振片衰減器對光束能量的衰減率(衰光率)不能達(dá)到其消光比以下。本發(fā)明利用非理想偏振片組和有固定衰光率的濾光片組合成的衰減器，可以達(dá)到衰光率小于偏振片組的消光比的效果。同時推導(dǎo)出非理想偏振片組衰光率相對于其透光軸夾角θ和透射光線振幅比ε的函數(shù)關(guān)系和其取得透光率最大值的位置。根據(jù)該關(guān)系式，通過控制濾光片插入光路的時機(jī)，使得衰減器的衰光率連續(xù)變化。依此方法，利用消光比為1×10-5的偏振片組和衰光率為0.01的濾光片組合成的衰減器可以連續(xù)地獲得的衰光率。
文檔編號G02B27/28GK101788719SQ20091027352
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者廖兆曙, 趙爽, 陳海清, 黃翀 申請人:華中科技大學(xué)