[發明專利]一種基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統及實驗方法

有效

• 申請號: 201811277908.1
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109297585B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 盧明輝;狄琛;顏學俊;潘佳慧;馮元會;劉曉平;陳延峰
• 申請（專利權）人: 南京光聲超構材料研究院有限公司
• 主分類號: G01J1/00
• 分類號: G01J1/00;G01M11/02;G02B27/28;G09B23/22
• 代理公司: 蘇州拓云知識產權代理事務所(普通合伙) 32344
• 代理人: 李鋒

1.一種基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統，其包括偏振分束器A、偏振分束器B，所述偏振分束器A被布置為使一束激光分成偏振方向互相垂直的兩束光，偏振分束器B被布置為將所述偏振分束器A分成的兩束光進行重合，其特征在于，偏振分束器A固定設置，所述偏振分束器B連接設置在納米壓電促動器上，以便使所述偏振分束器B在所述納米壓電促動器的驅動下實現三維運動，進而使得所述偏振分束器B發生偏轉，從而實現兩束光發生一定的偏移，使鎖相放大器接收到的Vin信號產生變化，對采集到的信號進行數值擬合，即可得到光斑的聚焦直徑；

所述偏振分束器B安裝于萬向光學調整架上，萬向光學調整架的下方與兩個納米壓電促動器相連，從而使偏振分束器B能夠在三維空間內偏轉；偏振分束器B偏轉的角度與納米壓電促動器的運轉步數呈正比，兩束光的中心距與偏振分束器B偏轉的角度成正比，通過控制一個納米促動器運轉，使偏振分束器B在水平方向內產生偏轉，即可使兩束光發生與之對應的偏移；

還包括延遲臺，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的兩束光分別為對樣品產生激發的泵浦光和感受樣品表面的變化并被反射和接受的探測光，所述延遲臺負責控制泵浦光和探測光產生連續的延遲時間；在測量光斑直徑時，所述延遲臺不工作；在做除光斑直徑外的測量時，壓電促動器不工作；水平方向內的光斑偏移與納米促動器運行的步數呈正比例關系，通過設置每次測量間納米促動器運行的步數即可控制每次測量間的光斑偏移；在測量時，通過設定每次采樣之間納米促動器的前進步數，從而得到特定的光斑偏移，通過Labview控制策略采集并記錄探測光反射信號隨激光偏移距離的變化。

2.根據權利要求1所述的一種基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統，其特征在于：還包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、分束器、光電探測器和聚焦物鏡，其中，所述偏振分束器A、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、分束器的鏡面角度均平行設置，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的兩束光分別為光束一和光束二，所述光束一經過所述第一反射鏡發射至所述分束器，所述光束二經過第二反射鏡發射至所述第三反 射鏡，且光束二經過第三反 射鏡發射至所述偏振分束器B，所述分束器、光電探測器、偏振分束器B和聚焦物鏡處于同一水平直線上，且所述分束器位于所述光電探測器與所述偏振分束器B之間，所述聚焦物鏡位于所述偏振分束器B與所述聚焦物鏡之間，樣品位于所述聚焦物鏡的光束傳輸方向一側。

3.根據權利要求1所述的一種基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統，其特征在于：還包括對信號進行采集的鎖相放大器，鎖相放大器的同相信號Vin，同相信號Vin與兩束光的偏移存在以下擬合關系：

其中，Vin為鎖相放大器的同相信號，x0表示引入的由于納米促動器工作的不穩定性導致的誤差，ω0為光斑的聚焦直徑，x是兩束光的偏移，A為振幅。

4.一種基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統的實驗方法，其特征在于：其包括以下步驟：

(1)將各個器件安裝調試好，使偏振分束器B偏轉的角度與納米壓電促動器的運轉步數呈正比，兩束光的中心距與偏振分束器B偏轉的角度成正比，通過控制一個納米促動器運轉，使偏振分束器B在水平方向內產生偏轉，以便使兩束光發生與之對應的偏移；

(2)測量：利用Labview控制策略編程，實現對光斑偏移的連續控制和對應的數據采集，通過校準獲得不同聚焦情況下單位光斑偏移對應的納米促動器步數，納米促動器步數的單位為steps/μm，通過設置每次測量間的步數便可控制每次測量間的光斑偏移，為了保證采集數據的準確性，每一個位置都進行多次采樣取其平均值的方法，最大程度消除測量的誤差；

(3)開始測量后，促動器先推動偏振分束器B進行一個預先的大偏轉，使兩束光完全不重合，之后進行采樣，采樣5次之后輸出一個數值，之后納米促動器按照設置步數運轉，使兩束光的中心接近0.5μm，采樣5次后輸出一個數值，這樣循環下去，兩束光會經歷互相重合又互相偏移的過程，這樣，在不同偏移下的信號強度就都能采集到了；

(4)擬合：將采集得到的信號進行擬合(擬合公式為其中，Vin為鎖相放大器的同相信號，x0表示引入的由于納米促動器工作的不穩定性導致的誤差，ω0為光斑的聚焦直徑，x是兩束光的偏移，A為振幅；

通過origin擬合，基于最小二乘法的原理，可以同時獲得公式中的未知參數；

該方法采用權利要求1-3任意一項所述的基于光斑偏移法測量激光光斑聚焦直徑的光學實驗系統。