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工业应用
用于激光功率衰减的旋转台
材料来源:MKS 光电解决方案           录入时间:2023/1/5 23:59:35

摘要

此文描述了一种旋转台,它可以通过改变波片或者偏振器的位置来调节激光的功率。此外,还详细介绍了MKS仪器中的SR50和PR50系列、Agilis AGPR100型电动旋转台,以及CONEX运动控制器,它可以用于24/7全天候计算机控制激光功率衰减器。这些标准旋转台和控制器提供了一种紧凑的、高性价比的运动控制解决方案,可用于各种功率的激光加工应用。

正文

当面对需要高精度控制激光功率的激光应用时,使用者一般有两种选择。

第一,他们可以使用本身具有可变输出功率的激光器,例如Q开关激光器,光纤激光器或者飞秒激光器。利用这些激光器,就可以很轻易地在激光源上改变光功率,不需要单独的激光功率衰减设备。

第二,使用者不选择一个可变功率的激光源,或者他们的应用需要一个额外的激光功率控制方式。在这种条件下,使用者需要一种简单的、节约成本的解决方案,能够从输入激光源产生连续可变激光功率。这种场景下需要一个能够进行激光功率衰减的辅助光学系统。

许多激光应用需要在过程中进行光功率调整。例如,仅用光电二极管测量高功率激光器需要让光束显著衰减,从而避免饱和或损坏传感器。当不同的材料需要不同的光束功率来实现并维持与激光束所需的相互作用时,进行功率衰减也是很有必要的。在某些应用中,可能需要一个窄而且可变的激光功率范围,从而最小化热影响区或其大小带来的不良影响。

另一个需要控制激光光功率的例子是,在一个具有可变厚度或弯曲形状的基板上扫描激光束,需要改变有效扫描速度从而调整有效激光功率沉积。在许多情况下,可以采用一个可变功率的激光器。然而,可变功率激光器在低操作电流和功率水平下会表现出不可接受的脉冲稳定性和光束质量变化。因此,对于需要脉冲稳定性并以较低功率保持原始激光束参数的应用而言,一个固定功率的激光源与辅助的激光功率衰减光学系统耦合常常是最为经济的解决方案。

图1. (a) 激光束衰减器元件原理图;(b) 在零级波片作用下,激光束被分解为两束正交分量并出现了偏振旋转[1]。

实现衰减激光束功率最容易的方法,可以采用一个能够将光束固定衰减一定程度的吸收滤光片来实现。吸收滤光片可以实现恒定的衰减程度,这样的器件能够在相对较宽的波长范围下实现恒定的衰减程度。可以使用无论是沿其长边(线型滤波片)或者围绕其旋转轴(滤镜轮)具有阶跃或连续光密度变化的条状或盘状滤光片,来实现阶跃或者连续变化的光衰减。

然而,当吸收滤光片用于衰减激光束时,吸收的功率会转化为热量,从而造成热效应,例如热透镜效应会扭曲激光束的空间轮廓。对于高功率激光器,热效应甚至会破坏滤光片。这些问题导致吸收滤光片在许多激光应用下不被采用。同时,激光功率还可以采用另一种方式实现衰减,在布鲁斯特角进行反射来产生一束具有原激光功率百分之几的光束。这种方法尽管在某些应用中可以使用,但却会降低激光光束的线性偏振。

此外,采用这种方式很难产生连续变化的衰减。同样还存在一些用于激光功率衰减的光纤方法,这些方法专用于光纤通信系统,并未在其他地方广泛应用。线性偏振激光束功率衰减中最广泛应用、简单且经济的方法是采用一个½波片和一个偏振器(图1a)来为激光光束提供一个连续可变的激光功率衰减功能,其中该激光光束的波长范围和功率由应用决定。图1a中显示的激光功率衰减器是根据马吕斯定律改变偏振光的强度。

这里I是经过偏振器的线性偏振激光的强度,I。是入射在偏振器上的线性偏振光的强度,Θ是光束初始偏振方向和偏振器轴的夹角。激光功率衰减器中,激光源和偏振器之间的½波片旋转方向沿经过它的激光的偏振方向P上旋转。这就导致了入射在偏振器上的光角度Θ的受控变化,因此根据等式(1),其实现了偏振器激光输出的光功率的受控变化。图2a中显示了这种激光功率衰减器和MKS 组件以及其在经典研究应用中的物理配置。

图 2. (a) 用于控制Spectra-Physics Mai Tai超快振荡器输出的安装设置; (b) (a)配置中的波片/振荡器衰减曲线,来自 [1]。

波片由切割成与光轴平行的一到两个双折射晶体组成。图1b说明了入射到晶体的线性偏振光是如何被分解成与该轴平行以及垂直的分量的Newport Application Note 26 [1]中给出了一个关于零级½波片作用背后的理论的更完整的讨论。简而言之,零级½波片根据下述关系将入射线性偏振光的偏振进行旋转。

这里,I是进入偏振器的线性偏振激光的强度,I。是离开偏振器的线性偏振光的强度,ϕ是½波片的方位角。因此,波片旋转45°可实现激光光束的完全衰减。图2b显示了波片和基于偏振器的激光功率衰减器的功率衰减曲线。

基于波片和偏振器的激光功率衰减器应用范围广阔。例如,在显微镜成像、多光子荧光显微镜、先进技术制造如电子器件和PCB制造以及重工业中激光打标、切割和焊接这些领域中,它们都可以进行连续激光功率调整。这些应用大多数都是计算机化、自动化的,不支持人工调整光学组件以实现激光功率衰减。正因如此,很有必要找到一种经济的解决方案,能够使得在此类应用中激光功率衰减的波片自动进行旋转。

在这篇报告中,我们描述了一种MKS仪器所提供的自动旋转台,可以用于自动化基于波片/偏振器的激光功率衰减设备。

MKS的解决方案

图3. MKS仪器的薄型旋转台

(a)高分辨版本SR50以及(b)高速版本PR50。

SR50和PR50自动薄型旋转台

MKS仪器提供紧凑的薄型旋转台,用于控制波片或者其他直径最大1英寸的光学组件的旋转。高分辨率、高精度版本SR50以及高速版本PR50系列旋转台(图3)非常适合于空间有限的应用场景(例如激光腔,磁盘变形机,或者其他光学元件制造领域)。这些平台可以通过直流伺服电机SR50CC和PR50CC或者开环步进电机SR50PP和PR50PP进行驱动。SR50和PR50系列旋转台都能够提供360°旋转角度范围,适合在狭窄的有限空间下进行安装。

图4. 旋转台的“摆动”参数

SR50旋转台将电机折叠在平台主体内部,以实现占地面积最小化。SR50旋转台在最大旋转速度为4°/s的情况下具有4.0 mdeg的最小位移增量(MIM),而PR50旋转台在更高的最大旋转速度为20°/s(旋转90°需要4.5秒)的情况下能够提供20 mdeg的MIM。PR50和SR50系列旋转台通常仅有±20 μrad的摆动(能担保在±50 μrad 内–见图4),平台配备有一个机械原点,允许平台返回参考原位置,误差在0.01°以内,可以在连续运转模式下进行。

这些旋转台可保障10,000小时的平均无故障时间,并已在OEM工业生产24/7连续操作状态下经受住了考验,证明了稳定性。表1显示了高速PR50和高分辨率SR50系列自动旋转台的典型精度和可重复性。

SR50CC和PR50CC旋转台可以和高性价比的CONEX™控制器集成在一起,以为这些平台提供一个超紧凑、多功能的解决方案。

CONEX-SR50CC和CONEX-PR50CC系统(图5)已预先配置,可轻松实现即插即用的操作方式。现已提供CONEX控制器模型,它提供了适用于直流伺服电机的低噪声线性放大器技术,或为步进电机相电流提供比例、积分控制技术。它们通过USB连接,可以经过一个可下载的图形用户界面(GUI)实现PC端控制。可以通过一个ASCII命令接口编程开发的程序来控制更多高级的应用。

利用标准的USB集线器技术可以实现单个USB端口连接多个单元。CONEX旋转台控制器可采用菊花链式连接模块,以创建低成本的多轴直流系统或者多轴步进电机系统。

(文章转载自网络,如有侵权,请联系删除)


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