摘要

此文描述了一種旋轉(zhuǎn)臺，它可以通過改變波片或者偏振器的位置來調(diào)節(jié)激光的功率。此外，還詳細(xì)介紹了MKS儀器中的SR50和PR50系列、Agilis AGPR100型電動旋轉(zhuǎn)臺，以及CONEX運動控制器，它可以用于24/7全天候計算機控制激光功率衰減器。這些標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)臺和控制器提供了一種緊湊的、高性價比的運動控制解決方案，可用于各種功率的激光加工應(yīng)用。

正文

當(dāng)面對需要高精度控制激光功率的激光應(yīng)用時，使用者一般有兩種選擇。

第一，他們可以使用本身具有可變輸出功率的激光器，例如Q開關(guān)激光器，光纖激光器或者飛秒激光器。利用這些激光器，就可以很輕易地在激光源上改變光功率，不需要單獨的激光功率衰減設(shè)備。

第二，使用者不選擇一個可變功率的激光源，或者他們的應(yīng)用需要一個額外的激光功率控制方式。在這種條件下，使用者需要一種簡單的、節(jié)約成本的解決方案，能夠從輸入激光源產(chǎn)生連續(xù)可變激光功率。這種場景下需要一個能夠進(jìn)行激光功率衰減的輔助光學(xué)系統(tǒng)。

許多激光應(yīng)用需要在過程中進(jìn)行光功率調(diào)整。例如，僅用光電二極管測量高功率激光器需要讓光束顯著衰減，從而避免飽和或損壞傳感器。當(dāng)不同的材料需要不同的光束功率來實現(xiàn)并維持與激光束所需的相互作用時，進(jìn)行功率衰減也是很有必要的。在某些應(yīng)用中，可能需要一個窄而且可變的激光功率范圍，從而最小化熱影響區(qū)或其大小帶來的不良影響。

另一個需要控制激光光功率的例子是，在一個具有可變厚度或彎曲形狀的基板上掃描激光束，需要改變有效掃描速度從而調(diào)整有效激光功率沉積。在許多情況下，可以采用一個可變功率的激光器。然而，可變功率激光器在低操作電流和功率水平下會表現(xiàn)出不可接受的脈沖穩(wěn)定性和光束質(zhì)量變化。因此，對于需要脈沖穩(wěn)定性并以較低功率保持原始激光束參數(shù)的應(yīng)用而言，一個固定功率的激光源與輔助的激光功率衰減光學(xué)系統(tǒng)耦合常常是最為經(jīng)濟的解決方案。

圖1. (a) 激光束衰減器元件原理圖；(b) 在零級波片作用下，激光束被分解為兩束正交分量并出現(xiàn)了偏振旋轉(zhuǎn)[1]。

實現(xiàn)衰減激光束功率最容易的方法，可以采用一個能夠?qū)⒐馐�固定衰減一定程度的吸收濾光片來實現(xiàn)。吸收濾光片可以實現(xiàn)恒定的衰減程度，這樣的器件能夠在相對較寬的波長范圍下實現(xiàn)恒定的衰減程度�？梢允褂脽o論是沿其長邊（線型濾波片）或者圍繞其旋轉(zhuǎn)軸（濾鏡輪）具有階躍或連續(xù)光密度變化的條狀或盤狀濾光片，來實現(xiàn)階躍或者連續(xù)變化的光衰減。

然而，當(dāng)吸收濾光片用于衰減激光束時，吸收的功率會轉(zhuǎn)化為熱量，從而造成熱效應(yīng)，例如熱透鏡效應(yīng)會扭曲激光束的空間輪廓。對于高功率激光器，熱效應(yīng)甚至?xí)�破壞濾光片。這些問題導(dǎo)致吸收濾光片在許多激光應(yīng)用下不被采用。同時，激光功率還可以采用另一種方式實現(xiàn)衰減，在布魯斯特角進(jìn)行反射來產(chǎn)生一束具有原激光功率百分之幾的光束。這種方法盡管在某些應(yīng)用中可以使用，但卻會降低激光光束的線性偏振。

此外，采用這種方式很難產(chǎn)生連續(xù)變化的衰減。同樣還存在一些用于激光功率衰減的光纖方法，這些方法專用于光纖通信系統(tǒng)，并未在其他地方廣泛應(yīng)用。線性偏振激光束功率衰減中最廣泛應(yīng)用、簡單且經(jīng)濟的方法是采用一個½波片和一個偏振器（圖1a）來為激光光束提供一個連續(xù)可變的激光功率衰減功能，其中該激光光束的波長范圍和功率由應(yīng)用決定。圖1a中顯示的激光功率衰減器是根據(jù)馬呂斯定律改變偏振光的強度。

這里I是經(jīng)過偏振器的線性偏振激光的強度，I。是入射在偏振器上的線性偏振光的強度，Θ是光束初始偏振方向和偏振器軸的夾角。激光功率衰減器中，激光源和偏振器之間的½波片旋轉(zhuǎn)方向沿經(jīng)過它的激光的偏振方向P上旋轉(zhuǎn)。這就導(dǎo)致了入射在偏振器上的光角度Θ的受控變化，因此根據(jù)等式（1），其實現(xiàn)了偏振器激光輸出的光功率的受控變化。圖2a中顯示了這種激光功率衰減器和MKS 組件以及其在經(jīng)典研究應(yīng)用中的物理配置。

圖 2. (a) 用于控制Spectra-Physics Mai Tai超快振蕩器輸出的安裝設(shè)置; (b) (a)配置中的波片/振蕩器衰減曲線，來自 [1]。

波片由切割成與光軸平行的一到兩個雙折射晶體組成。圖1b說明了入射到晶體的線性偏振光是如何被分解成與該軸平行以及垂直的分量的Newport Application Note 26 [1]中給出了一個關(guān)于零級½波片作用背后的理論的更完整的討論。簡而言之，零級½波片根據(jù)下述關(guān)系將入射線性偏振光的偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

這里，I是進(jìn)入偏振器的線性偏振激光的強度，I。是離開偏振器的線性偏振光的強度，ϕ是½波片的方位角。因此，波片旋轉(zhuǎn)45°可實現(xiàn)激光光束的完全衰減。圖2b顯示了波片和基于偏振器的激光功率衰減器的功率衰減曲線。

基于波片和偏振器的激光功率衰減器應(yīng)用范圍廣闊。例如，在顯微鏡成像、多光子熒光顯微鏡、先進(jìn)技術(shù)制造如電子器件和PCB制造以及重工業(yè)中激光打標(biāo)、切割和焊接這些領(lǐng)域中，它們都可以進(jìn)行連續(xù)激光功率調(diào)整。這些應(yīng)用大多數(shù)都是計算機化、自動化的，不支持人工調(diào)整光學(xué)組件以實現(xiàn)激光功率衰減。正因如此，很有必要找到一種經(jīng)濟的解決方案，能夠使得在此類應(yīng)用中激光功率衰減的波片自動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

在這篇報告中，我們描述了一種MKS儀器所提供的自動旋轉(zhuǎn)臺，可以用于自動化基于波片/偏振器的激光功率衰減設(shè)備。

MKS的解決方案

圖3. MKS儀器的薄型旋轉(zhuǎn)臺

(a)高分辨版本SR50以及(b)高速版本PR50。

SR50和PR50自動薄型旋轉(zhuǎn)臺

MKS儀器提供緊湊的薄型旋轉(zhuǎn)臺，用于控制波片或者其他直徑最大1英寸的光學(xué)組件的旋轉(zhuǎn)。高分辨率、高精度版本SR50以及高速版本PR50系列旋轉(zhuǎn)臺（圖3）非常適合于空間有限的應(yīng)用場景（例如激光腔，磁盤變形機，或者其他光學(xué)元件制造領(lǐng)域）。這些平臺可以通過直流伺服電機SR50CC和PR50CC或者開環(huán)步進(jìn)電機SR50PP和PR50PP進(jìn)行驅(qū)動。SR50和PR50系列旋轉(zhuǎn)臺都能夠提供360°旋轉(zhuǎn)角度范圍，適合在狹窄的有限空間下進(jìn)行安裝。

圖4. 旋轉(zhuǎn)臺的“擺動”參數(shù)

SR50旋轉(zhuǎn)臺將電機折疊在平臺主體內(nèi)部，以實現(xiàn)占地面積最小化。SR50旋轉(zhuǎn)臺在最大旋轉(zhuǎn)速度為4°/s的情況下具有4.0 mdeg的最小位移增量（MIM），而PR50旋轉(zhuǎn)臺在更高的最大旋轉(zhuǎn)速度為20°/s（旋轉(zhuǎn)90°需要4.5秒）的情況下能夠提供20 mdeg的MIM。PR50和SR50系列旋轉(zhuǎn)臺通常僅有±20 μrad的擺動（能擔(dān)保在±50 μrad 內(nèi)–見圖4），平臺配備有一個機械原點，允許平臺返回參考原位置，誤差在0.01°以內(nèi)，可以在連續(xù)運轉(zhuǎn)模式下進(jìn)行。

這些旋轉(zhuǎn)臺可保障10,000小時的平均無故障時間，并已在OEM工業(yè)生產(chǎn)24/7連續(xù)操作狀態(tài)下經(jīng)受住了考驗，證明了穩(wěn)定性。表1顯示了高速PR50和高分辨率SR50系列自動旋轉(zhuǎn)臺的典型精度和可重復(fù)性。

SR50CC和PR50CC旋轉(zhuǎn)臺可以和高性價比的CONEX™控制器集成在一起，以為這些平臺提供一個超緊湊、多功能的解決方案。

CONEX-SR50CC和CONEX-PR50CC系統(tǒng)（圖5）已預(yù)先配置，可輕松實現(xiàn)即插即用的操作方式。現(xiàn)已提供CONEX控制器模型，它提供了適用于直流伺服電機的低噪聲線性放大器技術(shù)，或為步進(jìn)電機相電流提供比例、積分控制技術(shù)。它們通過USB連接，可以經(jīng)過一個可下載的圖形用戶界面（GUI）實現(xiàn)PC端控制�？梢酝ㄟ^一個ASCII命令接口編程開發(fā)的程序來控制更多高級的應(yīng)用。

利用標(biāo)準(zhǔn)的USB集線器技術(shù)可以實現(xiàn)單個USB端口連接多個單元。CONEX旋轉(zhuǎn)臺控制器可采用菊花鏈?zhǔn)竭B接模塊，以創(chuàng)建低成本的多軸直流系統(tǒng)或者多軸步進(jìn)電機系統(tǒng)。

（文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除）