[發明專利]測定高斯光束束腰位置和尺寸的裝置及方法

無效

• 申請號: 200910048441.8
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN101509760A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 夏天;周蜀渝;陳鵬;徐震
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 張澤純

1.一種測定高斯光束束腰位置和尺寸的裝置，其特征在于該裝置包括：

光路裝置：

沿參考光源輸出的參考光(R)方向依次置有凸透鏡組(1)、架于光纖耦合架(2)上的多模光纖(3)和分束片(4)，參考光(R)經過所述的分束片(4)后分成透射光(Rt)和反射光(Rf)，在反射光(Rf)方向有第一反射鏡(5)，所述的透射光(Rt)方向依次是第一器件組(6)和第二器件組(7)，在所述的第一反射鏡(5)的反射光方向依次是所述的分束片(4)、偏振片(10)、小孔光闌(11)和二極管光電探測器(12)；

所述的第一器件組(6)的構成是：第二反射鏡(13)固定于圓筒形的壓電陶瓷(14)的前端面上，該第二反射鏡(13)為部分反射鏡，該壓電陶瓷(14)的后端面粘有環形陶瓷片(15)并固定在圓環形底座(16)上，在該圓環形底座(16)的另一面是具有外螺紋(17)的后端鏡筒(18)，在該后端鏡筒(18)的后端面有第一平凸透鏡(19)，所述的第二反射鏡(13)、壓電陶瓷(14)、環形陶瓷片(15)和第一平凸透鏡(19)同光軸，所述的外螺紋(17)固定在一個鏡筒式二維角度調整架上；該鏡筒式二維角度調整架固定在一個可以沿被測光前進方向和被測光前進方向的垂直方向調整的二維手動直線調節臺上；

所述的第二器件組(7)為一內接式鏡筒，鏡筒前端插槽內置有第二平凸透鏡(20)，鏡筒后端面中心處固定有位置探測器(22)，鏡筒中部是外螺紋(21)，所述的第二平凸透鏡(19)和位置探測器(21)同光軸，所述的外螺紋(21)固定在鏡筒式二維角度調整架上；該鏡筒式二維角度調整架固定在一個可以沿被測光前進方向和被測光前進方向的垂直方向調整的二維手動直線調節臺上，此平臺擁有微米量級精度的螺旋微調旋鈕；

上述元部件固定在一塊底板上，并使所述的凸透鏡組(1)、架于光纖耦合架(2)上的多模光纖(3)的兩端口、分束片(4)、第一器件組(6)、第二器件組(7)、偏振片(10)、小孔光闌(11)和二極管光電探測器(12)的水平中心處于同一水平高度上；

一塊刀片(8)固定在第二反射鏡(13)的面向被測高斯光束(G)前進方向的側緣上，該刀片(8)的刀刃橫向垂直于被測高斯光束(G)，在該刀片(8)的另一面，沿被測高斯光束(G)傳播方向置有光電探測器(9)；

所述的透射光(Rt)透過第一器件組(6)前端的第二反射鏡(13)的透射光經第一平凸透鏡(19)后經過第二器件組(7)入瞳內的第二平凸透鏡(20)到達所述的位置探測器(22)；

所述的分束片(4)和第二反射鏡(13)的前表面之間的光路構成邁克爾遜干涉儀的測量臂，分束片(4)和第一反射鏡(5)之間的光路構成邁克爾遜干涉儀的參考臂，所述的測量臂與參考臂的臂長相等；

電路裝置包括：位置探測器信號處理電路(23)、高壓放大電路(24)、三角波產生電路(25)、±15V運放電源(26)、輸入插座(27)和具有PCI數據采集板(28)的計算機(29)，所述的三角波發生電路(25)的電壓輸出端(31)經高壓放大電路(24)連接至接至圓筒形壓電陶瓷(14)的內表面的電線輸入端(24)，所述的位置探測器信號處理電路(23)的兩個信號電流輸入端(35)(36)與位置探測器(14)的兩路光電流信號輸出端(37)(38)相連接，所述的輸入插座(27)的模擬輸入端子組背后的觸針連接端組分別與所述的二極管光電探測器(12)的輸出端(39)、光電池光電探測器(9)的輸出端(40)、三角波產生電路(25)的輸出端(31)、位置探測器信號處理電路(23)的輸出端(30)、位置探測器(22)輸出端(37)(38)相連；

所述的輸入插座(27)經數據線與所述的計算機(29)的輸入插座(41)連接。

2.根據權利要求1所述的測定高斯光束束腰位置和尺寸的裝置，其特征在于所述的參考光源為激光光源。

3.根據權利要求1所述的測定高斯光束束腰位置和尺寸的裝置，其特征在于所述的第二反射鏡為部分反射鏡，其前表面鍍90％增反膜，后表面鍍100％增透膜。

4.根據權利要求1所述的測定高斯光束束腰位置和尺寸的裝置，其特征在于所述的環形陶瓷片(15)上開有徑向的條形缺口，供所述的壓電陶瓷(14)內表面的電線引出。

5.利用權利要求1所述的裝置測定高斯光束束腰位置和尺寸的方法，其特征在于包括如下步驟：

<1>調節所述的凸透鏡組(1)和光纖耦合架組(2)，優化進入邁克爾遜干涉儀光路的光束質量；

<2>轉動偏振片(10)，使透過小孔光闌(11)的光功率達到最大，以增加邁克爾遜干涉儀的干涉條紋對比度；

<3>定義z方向為被測高斯光束(G)的前進方向，確保被測高斯光束束腰位置z＞0的情況下，調整第一器件組(6)的初始位置并令其z坐標為0，并使被測高斯光束前進方向與所述刀片(8)的表面垂直，且被測高斯光束(G)落在刀片(8)下靠近刀刃邊緣的位置；

<4>啟動計算機，利用PCI數據采集卡(28)采集位置探測器信號處理電路(23)輸出端(30)輸出的反映第二器件組(7)相對于第一器件組(6)的位置的電壓信號U1，根據此信號U1調整第二器件組(7)相對于第一器件組(6)的位置，使第一器件組(6)的位置處于位置探測器(22)的信號線性變化的區域；

<5>在第一器件組(6)的初始位置處z₀＝0，選取利用PCI數據采集卡(28)采集的所述的二極管光電探測器(12)輸出的反映刀片(8)在單次同方向進動過程中實際進動距離u的通過小孔光闌(11)的正弦形式變化的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋信號中的p個整周期信號及對應于該p個整周期的硅光電池探測器(9)的光功率變化信號作為數據處理區域，并把數據處理區域內的第一個數據點的歸一化光功率信號幅值記為m1，把數據處理區域內的最后一個數據點的歸一化光功率信號幅值記為n1，利用整周期數對應的刀片(8)的移動距離的換算出刀片(8)在此單次同方向掃描過程中的實際的移動距離u為：

u=p×λ2,]]>λ為參考光波長；

把(1-m1)的值作為查詢對象，查詢標準正態函數的累積函數表，把查找到的累積函數的函數值為(1-m1)的點的橫坐標記為m2；把(1-n1)的值作為查詢對象，查詢標準正態函數的累積函數表，把查找到的累積函數的函數值為(1-n1)的點的橫坐標記為n2，|n2-m2|即為所述的刀片(8)移動過程中從歸一化的光功率變化對應的累積函數中推算出的積分變量橫坐標的變化量v，利用計算初始位置處的光束的尺寸ω(z)₁；

<6>通過旋動固定第一器件組(6)的二維手動直線調整平臺的橫向螺旋微調旋鈕，使第一器件組(6)向z軸正方向移動，移動的距離為螺旋微調旋鈕上最小刻度的一格對應的長度；利用PCI數據采集卡(28)采集位置探測器(22)的信號處理電路(23)輸出的反映第二器件組(7)相對于第一器件組(6)的位置的電壓信號U2，利用公式確定刀片(8)相對于初始位置處的距離z₁，并把z₁作為此位置處刀片(8)的橫向位置坐標，

式中：f為所述的第一平凸透鏡(19)和第二平凸透鏡(20)的焦距，l為所述的第一平凸透鏡(19)的后焦點與第二平凸透鏡(20)前焦點之間的距離，在此位置處，選取利用PCI數據采集卡(28)采集到的二極管光電探測器(12)的輸出端(39)輸出的反映刀片(8)在單次同方向進動過程中實際進動距離u的正弦形式變化的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋信號中的p個整周期信號及這p個整周期對應的利用PCI數據采集卡(28)采集到的硅光電池探測器(9)的輸出端(40)輸出的光功率變化信號作為數據處理區域，并把數據處理區域內的第一個數據點的歸一化光功率信號幅值記為m1，把數據處理區域內的最后一個數據點的歸一化光功率信號幅值記為n1，利用整周期數對應的刀片(8)的移動距離換算方法計算出刀片(8)在此單次同方向掃描過程中的實際的移動距離u為λ為參考光波長，把(1-m1)的值作為查詢對象，查詢標準正態函數的累積函數表，把查找到的累積函數的函數值為(1-m1)的點的橫坐標記為m2；把(1-n1)的值作為查詢對象，查詢標準正態函數的累積函數表，把查找到的累積函數的函數值為(1-n1)的點的橫坐標記為n2，|n2-m2|即為所述的刀片(8)移動過程中從歸一化的光功率變化對應的累積函數中推算出的積分變量橫坐標的變化量v，利用帶入u與v的值，即可求得此刀片位置處的光束的尺寸ω(z)₂；

<7>重復步驟<6>98次，依次獲得刀片(8)一系列的位置z₃至z₁₀₀，以及相應的ω(z)₃至ω(z)₁₀₀；

<8>比較ω(z)₁至ω(z)₁₀₀的值，最小的即是光束束腰的尺寸，該尺寸對應的刀片(8)的位置z即為束腰的位置。