CN111999885A - 一种电控可调光衰减装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电控可调光衰减装置，包括滑动槽、斩波片支架、特殊斩波片和电控模块。电控模块控制控制固定在斩波片支架上的特殊斩波片进行旋转，同时通过滑动槽控制斩波片支架和特殊斩波片整体发生直线位移。特殊斩波片的扇叶设计配合其线性位移，调节特殊斩波片的叶片以及激光光强调制的占空比，采用机械结构遮挡的方式对连续光进行调制，从而控制光强衰减量。本发明通过将斩波片形状进行特殊设计，使其衰减度能够随着斩波片的水平位置而改变，通过调整斩波片的水平位置实现了衰减器的满强度、宽谱和实时可调的衰减，精度高、结构简单、使用方便、成本低；可以结合光束整型器作为光纤光栅制作***中的光束整形***。
Description
技术领域
本发明属于激光控制领域，尤其涉及一种电控可调光衰减装置。
背景技术
光衰减器是一种很常见且很重要的光学无源器件，在光的强度调制中扮演着很重要的角色并广泛应用在一些需要调整光功率的场合，如光电探测器、激光精密加工等。然而在某些条件下，需要实时可控的对光进行衰减，例如在激光加工中，如果需要一定的切割深度，就需要调节激光器的光功率来实现。目前，光学的可调衰减器主要有以下几种：可变中性密度滤光片、液晶光束快门以及微机械电子光衰减器。然而，这几种光衰减器在承受过高的光功率时会产生损伤，无法使用在高光功率的设备中，同时，这些器件也只能在一定的光谱范围内进行光强调制，限制了其使用范围。
光学斩波器是一种能够把连续光调制成脉冲光的装置，其原理是：在一定时间内使连续光通过，另外的时间内使连续光不通过，使用这种方式将连续光切割为脉冲光。通过确定光通过的时间与不通过的时间和斩波器的斩波频率来确定光波调制后的平均光强、脉冲持续时间和脉冲间隔等参数。同时，由于在斩波的过程中阻挡了部分光的通过，光学斩波器也可以实现对激光能量的衰减，可以作为光衰减器的一种实现方法。这种装置广泛应用于激光调制***、测量***或者激光加工***中。
传统斩波器使用的是带有旋转叶片的斩波片，其形状为带有叶片的转轮。在光路中放置旋转的斩波片的叶片，随着斩波片的旋转，连续光周期性地被叶片遮挡或者从叶片的间隙中通过，从而将连续光切割为脉冲光。然而，传统的斩波片无法改变调制后的光的占空比和平均光功率，或者需要手动更换斩波片才能改变调制后的光的占空比和平均光功率，无法实现连续动态的光功率调节。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电控可调光衰减装置。本发明可以动态调制光学衰减器中宽谱的高功率的强光。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电控可调光衰减装置，包括滑动槽、斩波片支架、斩波片和电控模块等。斩波片安装在斩波片支架上，电控模块控制斩波片支架沿着滑动槽移动以及斩波片的旋转；所述斩波片的扇叶为多角星型；通过调节激光光斑中心到斩波片中心的距离r控制光强衰减量A。
进一步地，所述调节激光光斑中心到斩波片中心的距离r控制光强衰减量A具体为：
其中，d为斩波片扇叶的夹角的顶点与斩波片中心的距离，R为斩波片的半径，φ为两片斩波片扇叶之间的夹角，n为斩波片的扇叶数。
进一步地，首先可以标定激光光斑中心到斩波片中心的距离r，建立起实际空间位置与光强衰减量之间的关系公式(1)；然后将所需光强衰减量A输入电控模块，根据关系公式(1)计算对应的r值，再根据r的当前值和A对应的r值的差值，控制斩波片移动达到所需光强衰减量。
进一步地，通过设计斩波片的扇叶数n、扇叶之间的夹角φ来调节装置的衰减性能。
进一步地，斩波片的设计满足以下要求：φ＜2.2π/n，6≤n≤12。
进一步地，滑动槽包括底槽和第一直线步进电机；斩波片支架包括电机传动齿轮、斩波片传动齿轮、斩波片传动轴、第二步进电机和支架主体；其中，第一直线步进电机设有带螺纹的第一电机转轴，支架主体底部开有螺纹通孔，螺纹通孔螺旋旋接第一电机转轴；第二步进电机设有第二电机转轴，第二电机转轴固定连接电机传动齿轮；电机传动齿轮与斩波片传动齿轮啮合，斩波片传动齿轮固定连接斩波片传动齿轮和斩波片。
进一步地，电控模块包括稳定频率源、中央处理模块、交互界面、第一电机驱动和第二电机驱动；稳定频率源为中央处理模块提供触发时钟，中央处理模块利用第二电机驱动控制第二步进电机使斩波片进行旋转，中央处理模块还利用第一电机驱动控制第一直线步进电机使斩波片支架沿着滑动槽发生直线位移，从而控制光强衰减量。
进一步地，所述底槽底部设有轨道，支架主体底部开有轨道槽；轨道卡在轨道槽里，防止斩波片支架晃动。
进一步地，还包括轴承，所述第二电机转轴和斩波片转轴处均设有轴承，轴承安装在支架主体上，减少磨损。
进一步地，激光在通过斩波器衰减之后进行激光的精密加工时，通过在斩波片之后放置波束整形器进行光束的整形，且斩波器所在平面恰好为激光的束腰部分。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下特点：
1、采用机械结构遮挡的方式对连续光进行调制，使得该方法对光波长没有选择性，可以实现斩波片材料的吸收谱中的所有光的调制，增强了本发明的泛用性。
2、通过电子机械***对斩波片的精确移动实现衰减器的实时调制，可以实现占空比的连续调制，无需更换斩波片，降低了实现不同衰减的成本。
3、本发明技术方案可以通过设计不同的斩波片的形状实现不同的衰减度范围，通过适当降低衰减范围可以获得更高的衰减调节分辨率。
4、本发明技术方案可以结合光束整型器作为光纤光栅制作***中的光束整形***。
附图说明
图1为电控可调光衰减装置的机械结构示意图；
图2为电控可调光衰减装置中滑动槽的机械结构示意图；
图3为电控可调光衰减装置中斩波片支架的机械结构正面示意图；
图4为电控可调光衰减装置中斩波片支架的机械结构反面示意图；
图5为电控可调光衰减装置中斩波片的结构示意图；
图6为电控可调光衰减装置中两片斩波片扇叶之间的夹角、光斑中心与斩波片中心的距离与斩波片的衰减量A的关系图；
图7为电控可调光衰减装置中的电控模块的***框图；
图8为电控可调光衰减装置中对光路要求的示意图；
图中：滑动槽(1)、斩波片支架(2)、斩波片(3)；底槽(101)、第一直线步进电机(102)、轨道(103)、第一电机转轴(104)；电机传动齿轮(201)、第二电机转轴(202)、斩波片传动齿轮(203)、斩波片传动轴(204)、第二步进电机(205)、螺纹通孔(206)、轨道槽(207)；轴承(208)、支架主体(209)；波束整形器(5)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例(以下简称实施例)，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的一种实施例的机械示意图如图1所示。本实施例的机械部分由滑动槽(1)、斩波片支架(2)以及特殊斩波片(3)组成。滑动槽(1)用来引导斩波片(3)以及斩波片支架(2)水平移动；斩波片支架(2)用来支撑特殊斩波片(3)，同时使用第二步进电机(205)带动特殊斩波片(3)进行旋转；斩波片(3)通过不停旋转来使扇叶阻挡部分激光，进而使连续激光转变为脉冲激光，同时，由于阻挡了部分激光能量，实际上也实现了对激光强度的衰减。
本实施例中的滑动槽(1)结构如图2所示。滑动槽(1)由底槽(101)和第一直线步进电机(102)组成；其中，底槽(101)底部设有轨道(103)，第一直线步进电机(102)设有带螺纹的第一电机转轴(104)。第一直线步进电机(102)安装在底槽(101)一端。轨道(103)用于对斩波片支架(2)进行限位。
本实施例中的斩波片支架(2)结构如图3～4所示。斩波片支架(2)由电机传动齿轮(201)、斩波片传动齿轮(203)、斩波片传动轴(204)、第二步进电机(205)、轴承(208)和支架主体(209)组成；其中，支架主体(209)底部开有螺纹通孔(206)和轨道槽(207)，第二步进电机(205)设有第二电机转轴(202)。第二电机转轴(202)穿过支架主体(209)固定连接电机传动齿轮(201)，电机传动齿轮(201)与斩波片传动齿轮(203)啮合组合成传动齿轮组；斩波片传动齿轮(203)固定连接斩波片传动齿轮(203)和斩波片(3)；第二电机转轴(202)和斩波片转轴(204)处均设有轴承(208)，轴承(208)安装在支架主体(209)上，减少了旋转的阻力和设备的磨损，延长了使用寿命；螺纹通孔(206)螺旋旋接第一电机转轴(104)上；第一电机转轴(104)上的螺纹规格与斩波片支架(2)的螺纹通孔(206)相同；轨道(103)与轨道槽(207)咬合，防止斩波片支架(2)沿垂直于轨道的方向晃动。
第二步进电机(205)通过第二电机转轴(202)带动电机传动齿轮(201)转动，电机传动齿轮(201)与斩波片传动齿轮(203)用于调节第二步进电机(205)的扭矩以及第二步进电机(205)与斩波片(3)的转速比；通过设计不同比例的齿轮可以实现不同的斩波片(3)与第二步进电机(205)的转速比，进而可以实现不同的转速控制精度。
调节斩波片支架(2)水平方向的位置的方法类似于螺旋测微器，当第一电机转轴(104)旋转时会带动斩波片支架(2)沿着轨道(103)移动，第一电机转轴(104)每旋转一圈，斩波片支架(2)便移动一个螺纹间距的距离，从而带动斩波片(3)移动相同的距离。
本实施例中的斩波片(3)既可以使用常见的通用斩波片，也可以使用本发明中独特设计的特殊斩波片。本实施例中的斩波片(3)扇叶没有采用拥有固定占空比扇叶的普通斩波片，而是采用了在不同半径下有不同占空比的斩波片，其结构如图5所示。为了降低斩波片(3)的加工难度，本实施例中的斩波片(3)没有设计成光斑中心与斩波片中心的距离r与斩波片的衰减量A成线性比例的形状，而是采用了使斩波片(3)的扇叶之间的间隙呈现扇形的结构，这使得光斑中心与斩波片中心的距离r与斩波片的衰减量A的关系由以下公式表示：
其中，d为两片斩波片扇叶的夹角的顶点与斩波片圆心的距离，φ为两片斩波片扇叶之间的夹角，n为斩波片的扇叶数，R为斩波片的半径。
由公式(1)可以看出，光斑中心与斩波片中心的距离r的倒数1/r与斩波片的衰减量A成正比，设计不同的d、φ、和n会得到不同的关系公式；其中，d取值越大，则斩波片的衰减量A的取值范围会相应的变小，为保证取值范围，建议d取值尽可能小。
然而，两片扇叶之间的夹角φ与衰减量A和光斑中心到斩波片圆心的距离r的关系没有那么明确，所以本实施例中通过图6列举出了在d＝5，n＝10，R＝20的情况下，不同φ对A-r关系曲线的影响，图中的曲线从上到下，其φ值由小到大依次增加。可以看出，当φ较小的时候，会影响到衰减量A的下界，从而使得衰减量A的调节范围会下降，但是相应的调节精度会增加(曲线的斜率减小)；另一方面，在衰减量A较大的附近(A约为100％时)时，曲线的斜率较大，这表明斩波片平移很小的距离就会导致衰减量A有很大的变化，这会导致本实施例的调节精度下降，所以在需要较高的衰减量A的调节精度的时候，需要相应的牺牲一些衰减量A的调节范围，将φ设置的为较小值，建议φ＜2π/n。
另一方面，我们还可以看到，φ的取值也会影响到斩波片的最大半径，过大的φ值会导致斩波片半径R的最大取值减小。同时，n会对φ的取值的最大值有影响，即扇叶越多，每两个斩波片扇叶之间的夹角的最大取值范围会越小，所以n值不宜过大，过大会导致φ值过小，从而导致衰减量A的范围降低。但同时n值也不可以过小，过小会导致斩波频率的下降，导致光强的波动过大。为保证精确度，建议6≤n≤12。
图7表示了本实施例中的电控模块的框图，包括稳定频率源、中央处理模块、交互界面、第一电机驱动和第二电机驱动等模块。为提供一个稳定的旋转频率，本实施例中使用了外部的稳定频率源作为中央处理模块确定旋转频率的参考信号；交互界面用于输入所需的衰减量A；中央处理模块在接收到衰减量A的值之后，使用公式(1)计算出对应的光斑中心与斩波片中心的距离r，得到斩波片(3)所需要的水平位移量，通过第一电机驱动来控制第一直线步进电机(102)，用于控制斩波片(3)水平位移。同时，中央处理模块以稳定频率源为触发信号，驱动第二电机驱动控制第二步进电机(205)，用于控制斩波片(3)频率。所有模块均由电源模块进行供电。在本实施例中，中央处理模块使用单片机，交互界面使用TFT触摸屏。
激光在通过斩波器(3)衰减之后，如果要进行激光的精密加工，通常需要进行光束的整形，将高斯光束整形为平顶光束。所以本实施例中在斩波片(3)之后放置了一个商用的波束整形器(5)，将光束整形为所需的光束。需要说明的是，为保证斩波器(3)的衰减量A控制的精确度，需要在斩波器(3)所在平面处恰好为激光的束腰部分，即斩波片(3)与波束整形器(5)的距离需要设置为波束整形器(5)的焦距，如图8所示。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电控可调光衰减装置，其特征在于：包括滑动槽、斩波片支架、斩波片和电控模块等。斩波片安装在斩波片支架上，电控模块控制斩波片支架沿着滑动槽移动以及斩波片的旋转；所述斩波片的扇叶为多角星型；通过调节激光光斑中心到斩波片中心的距离r控制光强衰减量A。
2.如权利要求1所述电控可调光衰减装置，其特征在于：所述调节激光光斑中心到斩波片中心的距离r控制光强衰减量A具体为：
其中，d为斩波片扇叶的夹角的顶点与斩波片中心的距离，R为斩波片的半径，φ为两片斩波片扇叶之间的夹角，n为斩波片的扇叶数。
3.如权利要求2所述电控可调光衰减装置，其特征在于：首先可以标定激光光斑中心到斩波片中心的距离r，建立起实际空间位置与光强衰减量之间的关系公式(1)；然后将所需光强衰减量A输入电控模块，根据关系公式(1)计算对应的r值，再根据r的当前值和A对应的r值的差值，控制斩波片移动达到所需光强衰减量。
4.如权利要求2所述电控可调光衰减装置，其特征在于：通过设计斩波片的扇叶数n、扇叶之间的夹角φ来调节装置的衰减性能。
5.如权利要求4所述电控可调光衰减装置，其特征在于：斩波片的设计满足以下要求：φ＜2.2π/n，6≤n≤12。
6.如权利要求1所述电控可调光衰减装置，其特征在于：滑动槽包括底槽和第一直线步进电机；斩波片支架包括电机传动齿轮、斩波片传动齿轮、斩波片传动轴、第二步进电机和支架主体；其中，第一直线步进电机设有带螺纹的第一电机转轴，支架主体底部开有螺纹通孔，螺纹通孔螺旋旋接第一电机转轴；第二步进电机设有第二电机转轴，第二电机转轴固定连接电机传动齿轮；电机传动齿轮与斩波片传动齿轮啮合，斩波片传动齿轮固定连接斩波片传动齿轮和斩波片。
7.如权利要求6所述电控可调光衰减装置，其特征在于：电控模块包括稳定频率源、中央处理模块、交互界面、第一电机驱动和第二电机驱动；稳定频率源为中央处理模块提供触发时钟，中央处理模块利用第二电机驱动控制第二步进电机使斩波片进行旋转，中央处理模块还利用第一电机驱动控制第一直线步进电机使斩波片支架沿着滑动槽发生直线位移，从而控制光强衰减量。
8.如权利要求6所述电控可调光衰减装置，其特征在于：所述底槽底部设有轨道，支架主体底部开有轨道槽；轨道卡在轨道槽里，防止斩波片支架晃动。
9.如权利要求6所述电控可调光衰减装置，其特征在于：还包括轴承，所述第二电机转轴和斩波片转轴处均设有轴承，轴承安装在支架主体上，减少磨损。
10.如权利要求1所述电控可调光衰减装置，其特征在于，激光在通过斩波器衰减之后进行激光的精密加工时，通过在斩波片之后放置波束整形器进行光束的整形，且斩波器所在平面恰好为激光的束腰部分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201127 |