【小麓讲堂】想降低激光能量?激光衰减方法汇总来啦!
发布时间:2025-09-30 18:00:00 阅读次数:123

随着激光技术被广泛应用于工业加工、科研实验、光通信、医疗等领域,高功率激光已经成为提高效率的关键利器。但在实际应用中,高功率并非总是与需求匹配,我们往往也需要选择性地降低激光光束的能量。

在了解了如何通过激光合束增强激光能量之后,我们不妨来看看如何在不显著改变激光其他特性的前提下,实现激光衰减的四种方法。

中性密度滤光片衰减法

中性密度滤光片(Neutral Density Filter)是一种对光的衰减具有非选择性的光学元件。其核心衰减原理是通过材料对光的选择性吸收或结构对光的反射调控,使不同波长的光在通过滤光片时受到均匀的能量损耗,从而实现光强的降低,且不改变入射光的光谱成分。

图1. 中性密度滤光片应用示意

中性密度滤光片根据工作方式可分为吸收型和反射型:

  • 吸收型中性密度滤光片采用具有均匀吸收特性的材料制成。当光穿过时,材料中的分子或离子会吸收光子的能量。

  • 反射型中性密度滤光片基于薄膜干涉原理在基底表面镀上多层不同折射率的薄膜。通过对光的反射和透射的相互作用实现整体光强的衰减。

图2.(a)吸收型中性密度滤光片(b)反射型中性密度滤光片

而衡量中性密度滤光片衰减能力的重要参数叫做光学密度,OD值,定义为

其中T是滤光片的透射率。

当OD值为1时,透射率T = 10-1=10%,出射光强衰减到入射光的10%;OD 值为2时,透射率T = 10-2=1%,出射光强衰减到入射光的10%。

衰减率与滤光片的衰减原理也密切相关:

吸收型滤光片的OD值与材料的吸收系数α和厚度d有关。通过调整材料的吸收系数和厚度,可以获得不同的OD 值。反射型滤光片的OD 值取决于多层膜的反射率R。通过设计多层膜的结构,改变反射率的大小,即可得到不同的OD值。

LBTEK提供多种中性密度滤光片产品,其中阶跃式中性密度滤光片、连续型中性密度滤光片、中性密度滤光片轮均可通过旋转角度可调节OD值。

图3. 中性密度滤光片

双偏振片衰减法

双偏振片衰减的本质是利用偏振片的选频特性和马吕斯定律实现光强的连续调节。当两偏振片(起偏器+检偏器)叠放时,透射光强由两者透振方向的夹角θ决定,假设通过起偏器后的线偏振光强度为I₀,根据马吕斯定律,通过检偏器的透射光强为:

其透射率公式可以定义为:

LBTEK可调偏振镜由两片薄膜线性偏振片组成,偏振片各自由前后两层N-BK7玻璃衬底与中间的线性偏振薄膜组成,能够连续降低亮度用作光强衰减器。LBTEK提供工作波长为400-700nm和700-1700nm的可调偏振镜。

图4. 可调偏振镜

双偏振片衰减因结构简单、成本低、连续可调的优势,广泛应用于需要灵活调节光强的场景:在激光光谱分析、干涉实验中,通过旋转检偏器,可实时调节激光强度,且响应速度仅受机械旋转限制;摄影中,通过旋转调节进光量,能够在在强光下拍摄长曝光画面。

可调偏振分束器

激光线可调偏振分束器由空气隙零级半波片和激光线偏振分束立方组成,其中的激光线偏振分束立方决定了其特性。比如高功率激光线可调偏振分束器由空气隙零级半波片和高功率激光线偏振分束立方组成,宽带可调偏振分束器由消色差半波片和宽带偏振分束立方组成。

当线偏振光入射时,旋转半波片可以改变入射光的偏振态,经偏振分束立方后透射P光,反射S光,从而实现连续调节分光比。

图5. 可调偏振分束器

LBTEK的可调偏振分束器可以实现线偏振光束透射强度的连续改变,线偏光先经过旋转安装中的半波片,再通过偏振分束立方,透射P光,反射S光。

图6. 可调偏振分束器

楔形分束镜

楔形分束镜是一种兼具分束与衰减功能的光学器件,其通过特殊的楔形结构与镀膜设计,利用薄膜干涉和角度依赖性反射/透射特性实现激光强度的可控衰减。

与普通平板分束镜相比,楔形结构有效避免了多光束干涉干扰,让衰减调节更稳定、精度更高。

楔形分束镜的衰减功能基于分束镀膜对光强的比例分配,其核心逻辑是通过镀膜设计固定或调控反射光与透射光的强度比例,进而实现对某一路输出光的衰减。

图7. 楔形分束镜光路图

虽然偏振对反射和折射光强有一定影响,但对于小角度入射,偏振影响非常小。

部分楔形分束镜通过改变入射角实现衰减连续调节,原理基于菲涅尔公式的角度依赖性:根据菲涅尔公式,光在界面的反射率/透射率随入射角变化而改变。

对于s偏振光(垂直入射面振动)和p偏振光(平行入射面振动),反射率均随入射角增大而变化,其中p偏振光在布儒斯特角时反射率为0,透射率接近 100%。

可调楔形分束镜通过旋转结构改变激光入射角,从而连续调控反射/透射光强比。楔形棱镜对的两次互补反射保留了光束的偏振、大小和形状,最大程度地减少对光束质量的影响。非常适合在光束分析之前进行衰减,包括偏振测量应用。

基于以上四种激光衰减方案,我们也为你整理了它们各自的优势和适用场景:

撰稿:LBTEK技术工程师-Klat

编辑:周凯扬、那些

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