[發明專利]光纖擴束準直鏡筒出射偏心高斯光束的檢測方法

有效

• 申請號: 201410810216.4
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104537656A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 林睿;張首剛;阮軍;王心亮;劉丹丹;陳江;張輝;管勇;余鳳翔;施俊如
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/60
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明屬于光電精密檢測技術領域，可用于光纖擴束準直鏡筒出射偏心高斯光束的檢測。

背景技術

在冷原子噴泉鐘的研究領域中，應用于磁光阱的激光束是由光纖擴束準直鏡產生，激光束的準直性、同軸性和光斑強度分布的均勻性對于噴泉鐘使用的冷原子樣品的制備至關重要。在各個光學器件沒有失調的理想情況下，光纖擴束準直鏡筒出射光束波前的波矢應該與擴束準直光學系統的光軸(也即鏡筒的機械軸)平行；出射光束在垂直于鏡筒機械軸的截面上的光斑大小沿機械軸方向不變；出射光束的光強最大值軌跡應該沿著鏡筒的機械軸，而在垂直于機械軸截面上的光強分布應該是以鏡筒機械軸為對稱軸的圓對稱的高斯分布，這樣的光束就具有了良好的同軸性、準直性和光強分布均勻性。然而由于各種原因引起的光學失調不可避免，離焦將破壞準直性，在垂直于機械軸的截面上光斑大小沿軸向會發生改變；入射光離軸將破壞同軸性，出射光波波前的波矢將不再平行于機械軸；而入射光的離軸和偏軸都將破壞光斑的均勻性，出射光束的光強最大值軌跡不再沿著機械軸傳播，出射的光束將是偏心高斯光束，垂直于機械軸的光束截面的光強分布不再均勻。

因此，由于系統光學元件失調而造成的光纖擴束準直鏡筒出射光束光強分布的不均勻性的檢測可以通過偏心高斯光束的檢測來獲得。而光纖擴束準直鏡筒在離焦和離軸都已經校正好的情況下，出射的高斯光束的強度分布的檢測現在多用小孔掃描法(參見：1.陳江，銫原子噴泉鐘冷原子粘團的制備及參數測量[D],西安，2012；2.段小春，原子干涉重力梯度測量原理性實驗研究[D],武漢，2011)即分別沿兩個正交的方向移動小孔對光斑的強度進行掃描。小孔掃描法要確保小孔行進的方向與鏡筒機械軸垂直是非常困難的，而要確保小孔移動軌跡就是激光圓形光斑的直徑也是困難的，因而難以準確得到垂直于鏡筒機械軸的光斑的強度分布結果；并且小孔掃描法費時長，雖然可以在激光功率穩定后進行檢測，但長時間的檢測過程中難免會有功率起伏，造成測量誤差，而實現激光功率穩定又需要一套造價不菲的反饋控制系統；小孔掃描法雖然能得到兩個正交方向上光強分布的高斯曲線，但不能準確地反映出高斯光束光強最大值位置是否與鏡筒機械軸重合或者其偏離機械軸的程度。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種可準確獲得垂直于光纖擴束準直鏡筒機械軸的高斯光束截面強度分布，并測量出偏心高斯光束的光強最大值與機械軸的偏離量的方法，通過對偏心高斯光束的檢測可以實現光纖擴束準直鏡筒光強分布不均勻性的檢測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

步驟一，搭建拍攝裝置，能夠獲取從擴束準直鏡筒出射的高斯光束在垂直于機械軸截面上的光強分布數據；所述的拍攝裝置將光學石英玻璃片和雙面磨砂毛玻璃片緊緊貼后固定在一個鏡架上，鏡架和濾光片平行固定在底板上，CCD相機通過一維平移臺安裝在底板上，能夠沿鏡架的軸線平移，CCD相機的鏡頭軸向與雙面磨砂毛玻璃片垂直；底板固定在一個能夠調節豎直和水平傾角的二維調節架上，二維調節架通過一個螺旋升降桿與另一個水平的一維平移臺連接，兩個一維平移臺的平移方向相互垂直；

步驟二，調節拍攝裝置，通過調節固定CCD相機的一維平移臺和CCD相機的焦距，使CCD相機能對雙面磨砂毛玻璃片表面清晰成像；將已調節好離焦和離軸的擴束準直鏡筒與拍攝裝置一起固定在光學平臺上，使擴束準直鏡筒的軸線高度與拍攝裝置的光學石英玻璃片的中心高度相同，并調節鏡筒軸線的方向與光學石英玻璃片的平面垂直；在鏡筒的出射端置入一個開孔在鏡筒軸上的小孔光闌；調節拍攝裝置的二維調節架，使得從小孔出射的光束經過光學石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中；取下小孔光闌，由鏡筒出射的光束經過光學石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑圖像即是垂直于擴束準直鏡筒光軸的光強分布數據；

步驟三，利用獲取的光斑圖像檢測偏心高斯光束，包括以下步驟：

步驟1、將獲取的光斑圖像轉變為256個灰度級的灰度圖像G(x,y)，找出其中最大的灰度級G_max；如果210<G_max<240，表明所獲取的光斑圖像的照明光強是合適的，進行下一步驟；如果G_max>240或G_max<210，則調節擴束準直鏡筒的出射光強而重新采集光斑圖像；