[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

本發明公開了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，本發明包括偏振分束器A、偏振分束器B，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被布置為將偏振分束器A分成的兩束光進行重合，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V_in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。本發明不僅操作簡單，而且易于同類型的光學系統進行復合，提高了現有光學系統的集成度。

技術領域

本發明涉及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，屬于光學技術領域。

背景技術

激光，盡管誕生僅僅幾十年的歷史，卻在機械加工、醫學工程、航空航天、軍事國防、科學研究等領域實現了廣泛的應用，應用于實踐的激光器種類也在不斷地豐富和發展。激光的應用發展，其基礎便是對激光的各個性能參數精確的表征。激光光斑聚焦直徑，是反映激光器設計性能的一個重要參數，它決定了激光的功率密度和加工范圍。因此，精確地表征激光光斑的聚焦直徑，具有十分重要的意義。同時，在科學研究中，基于飛秒激光的超快測量技術（如時間分辨的布里淵散射、時域熱反射等）飛速發展，不斷推動著人們加深對更小、更快尺度下發生的物理現象的認識。在這些研究中，人們也需要對實驗的條件擁有系統的認知，需要對激光光斑的聚焦直徑進行精確的表征。

由于激光是高斯光束，激光聚焦形成的光斑大小不能簡單地用幾何方法測量。傳統的測量激光聚焦直徑的方法有針孔法、狹縫法、Ronchi等光柵法、Radon分析法、Talbot效應法、刀口法等。以刀口法為例，采用平直的刀口對激光進行截斷，通過記錄特定透過率時刻刀口移動的坐標，即可得到激光的聚焦直徑。這些方法都已十分成熟而且操作較為簡便，但是測量往往需要獨立的實驗系統，難于其他光學系統復合。

常見的超快測量系統，把激光分成兩部分，即泵浦光和探測光。泵浦光對樣品表面進行激發，探測光則感受到這一激發，并在其反射信號中得以體現。為了便于保證穩定而可靠的激光反射信號，通常樣品表面都蒸鍍了一層厚度在數十至一百納米的金屬薄膜。多數情況下，利用鎖相放大器采集信號，可以分為同相信號（V_in）和反相信號（V_out）。其中，V_in對兩束激光的重合程度十分敏感，其關系為，其中x₀為兩束激光的中心距，ω₀為光斑的直徑，通常為整個光斑的1/e。

具體的，圖1為現有技術，其是一種泵浦-探測光學測量系統的光路圖，從同一個激光器發射的激光經過第一個偏振分束器（PBS）分成兩束，并在第二個PBS處匯合。圖中的pump beam為泵浦光，它先到達樣品表面，并對樣品產生激發；probe beam為探測光，它在一定的時間延遲后到達樣品的表面，感受到樣品表面的變化，并被反射和接受。反射的信號就和樣品的激發情況以及兩束光之間的時間延遲有關，時間延遲短，激發還沒有消退，信號就強，延遲時間長，激發經過了足夠的時間消退，信號就弱。通過延遲臺（delay stage），可以控制兩束光產生連續的延遲時間。在這一系統中，通過改變兩束光的時間延遲，采集不同時間延遲下的信號，可以得到樣品的物理性質。在這一測量中，需要使兩束光在匯合后保持重合，這樣信號強度最好。

但是，這種系統的功能比較單一，難以實現對光斑直徑的準確測量。

本發明針對以上問題，提供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，以便于使測量光斑直徑與其他光學系統功能相復合。

發明內容