專利名稱：一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密或超精密光學測量領域，特別涉及一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒ê脱b置。
背景技術：
激光光束由于其具有良好的單色性、方向性及高亮度等優(yōu)點，被廣泛用于各種精密或超精密光學觀測及測量設備中。但是，由于激光在激發(fā)過程中產(chǎn)生的高熱量易引發(fā)系統(tǒng)器件變形、操作環(huán)境中溫度濕度變化造成的空氣折射率不均勻等原因，激光光束容易產(chǎn)生能量漂移、平行偏移、角向偏移和光束準直度下降等問題，并隨著時間的推移該現(xiàn)象會愈發(fā)嚴重，極大地影響精密觀測及測量設備的精度，甚至影響設備的使用壽命。隨著科學技術的發(fā)展，為了獲得更高的分辨率或測量精度，越來越多的超高精度觀測及測量設備，在其操作手冊中都嚴格規(guī)定在使用一定時間后，需要對激光光路進行重新的調(diào)校，以保證儀器設備在使用過程中的精度。這種做法不僅費時費力，而且也并不能完全保證整個觀測或測量過程的連續(xù)性和準確性。公認較好的做法是在設備使用過程中對激光光束進行監(jiān)控并對產(chǎn)生的偏移進行實時調(diào)整與補償?？蒲泄ぷ髡邽榇艘策M行了大量的工作。2004年，趙維謙等(專利號為 ZL200410033610. 8的中國發(fā)明專利)提出了一種對單束激光的平行偏移和角向偏移進行實時監(jiān)控和補償?shù)姆椒āＴ摲椒m然部分解決了激光光束的實時調(diào)整問題，可以較好地應用于激光準直儀等設備當中，但是在專利中并未涉及能量漂移調(diào)整和光束準直度的調(diào)整 (這里指光束本身的發(fā)散與匯聚調(diào)整)，且光束平行偏移與角度偏移調(diào)整時相互串擾較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒ê脱b置，不但調(diào)整方便，而且調(diào)整精度高，其中，能量漂移調(diào)整精度優(yōu)于0. 2 %，平行偏移調(diào)整精度優(yōu)于lOOnm，角向偏移調(diào)整精度優(yōu)于0. 1弧秒，光束準直度調(diào)整精度優(yōu)于1弧秒。利用該調(diào)整方法和裝置得到的準直光線，可以廣泛應用于熒光發(fā)射損耗顯微鏡(STED stimulated Emission Depletion Microscopy)、焚光自相關步頁譜分析儀(FCS :fluorescence Correlation Spectroscopy)等高精度觀測設備當中。一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒?，包括以下步驟(1)將激光器發(fā)出的激光經(jīng)過單模光纖和準直透鏡進行初級準直；(2)將經(jīng)過初級準直的激光光束，通過角錐棱鏡后，進入第一分光棱鏡分解為第一透射光線和第一反射光線，所述第一反射光線為第一監(jiān)控光束；所述第一透射光線通過第二分光棱鏡分解為第二透射光線和第二反射光線，所述第二反射光線為第二監(jiān)控光束；所述第二透射光線通過第三分光棱鏡分解為第三透射光線和第三反射光線，所述第三反射光線為第三監(jiān)控光束，所述第三透射光線為工作光束；所述第一監(jiān)控光束、第二監(jiān)控光束和第三監(jiān)控光束分別由相應的光電感應器件進行接收，并分別用于監(jiān)控光束能量漂移和光束角向偏移、監(jiān)控光束平行偏移以及監(jiān)控光束準直度漂移；所述第一透射光線、第二透射光線和第三透射光線的方向與入射到第一分光棱鏡的光束的方向相同，所述第一監(jiān)控光束、第二監(jiān)控光束和第三監(jiān)控光束的光強保持相同；(3)根據(jù)監(jiān)控得到的能量漂移量大小，調(diào)整所述激光器的輸出功率，使激光光束向能量漂移減小的方向進行調(diào)整；(4)根據(jù)監(jiān)控得到的角向偏移量大小，調(diào)整所述單模光纖的輸出端與所述準直透鏡的相對徑向位置，使激光光束向角向偏移量減小的方向進行調(diào)整；(5)根據(jù)監(jiān)控得到的平行偏移量大小，調(diào)整所述角錐棱鏡的位置，使激光光束向平行偏移量減小的方向進行調(diào)整；(6)根據(jù)監(jiān)控得到的準直性變化量大小，調(diào)整所述單模光纖的輸出端與所述準直透鏡的相對軸向位置，使激光光束向準直性變化量減小的方向進行調(diào)整；(7)重復進行上述( (6)的調(diào)整步驟，對激光光束各參量進行高速反饋控制， 使其能量漂移調(diào)整精度優(yōu)于0.2%，平行偏移調(diào)整精度優(yōu)于lOOnm，角向偏移調(diào)整精度優(yōu)于 0. 1弧秒，光束準直度調(diào)整精度優(yōu)于1弧秒。為保證調(diào)整過程中各參數(shù)不會互相干擾，(3) (6)的調(diào)整順序不可以替換。其中，用于監(jiān)控光束能量漂移的方法為將第一監(jiān)控光束聚焦后垂直照射在相應的光電感應器件(與第一監(jiān)控光束對應，稱為第一光電感應器件)的感應面上，通過計算第一光電感應器件的出射光束的光強來監(jiān)控光束能量漂移。其中，用于監(jiān)控光束角向偏移和平行偏移的方法，為匡翠方等發(fā)明人提出的名稱為“一種雙光束同軸實時調(diào)整的裝置與方法”的中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)枮?201010177761. 6，
公開日期為2010年10月13日)所公開的用于監(jiān)控光束角向偏移和平行偏移的方法，就本發(fā)明而言，具體為將第一監(jiān)控光束聚焦后垂直照射在第一光電感應器件的感應面上，通過計算聚焦光斑相對于第一光電感應器件的感應面中心位置所產(chǎn)生的角向偏移量來監(jiān)控光束角向偏移；將第二監(jiān)控光束垂直照射在相應的光電感應器件(與第二監(jiān)控光束對應，稱為第二光電感應器件)的感應面上，通過計算光斑相對于第二光電感應器件的感應面中心位置所產(chǎn)生的平行偏移量來監(jiān)控光束平行偏移。其中，用于監(jiān)控光束準直度的方法，為匡翠方等發(fā)明人提出的名稱為“對光束的準直性進行檢測的方法和裝置”的中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)枮?01110043419. 1，
公開日期為2011年9月14日)所公開的用于監(jiān)控光束準直度的方法，就本發(fā)明而言，具體為將第三監(jiān)控光束直接或轉(zhuǎn)變成線偏振光后入射到斜方棱鏡上，在所述斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生至少一次全反射；在所述斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生全反射后的光束出射后，被相應的光電感應器件(與第三監(jiān)控光束對應，稱為第三光電感應器件)接收并處理得到入射光束的歸一化剖面光強分布曲線，分析光斑重心位置與幾何中心的重合度情況，并據(jù)此來監(jiān)控光束準直度。其中，所述第一光電感應器件為位置敏感探測器(PSD Position Sensitive Detector)；所述第二光電感應器件可以為PSD或者四象限探測器(QD =Quadrant Detector)；所述第三光電感應器件可以為高速電荷耦合器件(CCD =Charge Couple Device)或者互補金屬氧化物半導體陣列探測器(CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor)。對于能量漂移，當使用PSD時，按如下公式進行處理
權利要求
1.一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒?，包括以下步驟(1)將激光器發(fā)出的激光經(jīng)過單模光纖和準直透鏡進行初級準直；(2)將經(jīng)過初級準直的激光光束，通過角錐棱鏡后，進入第一分光棱鏡分解為第一透射光線和第一反射光線，所述第一反射光線為第一監(jiān)控光束；所述第一透射光線通過第二分光棱鏡分解為第二透射光線和第二反射光線，所述第二反射光線為第二監(jiān)控光束；所述第二透射光線通過第三分光棱鏡分解為第三透射光線和第三反射光線，所述第三反射光線為第三監(jiān)控光束，所述第三透射光線為工作光束；所述第一監(jiān)控光束、第二監(jiān)控光束和第三監(jiān)控光束分別由相應的光電感應器件進行接收，并分別用于監(jiān)控光束能量漂移和光束角向偏移、監(jiān)控光束平行偏移以及監(jiān)控光束準直度漂移；所述第一透射光線、第二透射光線和第三透射光線的方向與入射到第一分光棱鏡的光束的方向相同，所述第一監(jiān)控光束、第二監(jiān)控光束和第三監(jiān)控光束的光強保持相同；(3)根據(jù)監(jiān)控得到的能量漂移量大小，調(diào)整所述激光器的輸出功率，使激光光束向能量漂移減小的方向進行調(diào)整；(4)根據(jù)監(jiān)控得到的角向偏移量大小，調(diào)整所述單模光纖的輸出端與所述準直透鏡的相對徑向位置，使激光光束向角向偏移量減小的方向進行調(diào)整；(5)根據(jù)監(jiān)控得到的平行偏移量大小，調(diào)整所述角錐棱鏡的位置，使激光光束向平行偏移量減小的方向進行調(diào)整；(6)根據(jù)監(jiān)控得到的準直性變化量大小，調(diào)整所述單模光纖的輸出端與所述準直透鏡的相對軸向位置，使激光光束向準直性變化量減小的方向進行調(diào)整；(7)依次重復進行上述( (6)的調(diào)整步驟，直至激光光束的能量漂移調(diào)整精度優(yōu)于 0. 2%，平行偏移調(diào)整精度優(yōu)于lOOnm，角向偏移調(diào)整精度優(yōu)于0. 1弧秒，光束準直度調(diào)整精度優(yōu)于1弧秒。
2.如權利要求1所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒?，其特征在于，所述步驟(2) 中，用于監(jiān)控光束能量漂移的方法為將第一監(jiān)控光束聚焦后垂直照射在第一光電感應器件的感應面上，通過計算第一光電感應器件的出射光束的光強來監(jiān)控光束能量漂移。
3.如權利要求1所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒?，其特征在于，所述步驟(2) 中，用于監(jiān)控光束角向偏移的方法為將第一監(jiān)控光束聚焦后垂直照射在第一光電感應器件的感應面上，通過計算聚焦光斑相對于第一光電感應器件的感應面中心位置所產(chǎn)生的角向偏移量來監(jiān)控光束角向偏移。
4.如權利要求1所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟?，所述步驟(2) 中，用于監(jiān)控光束平行偏移的方法為將第二監(jiān)控光束垂直照射在第二光電感應器件的感應面上，通過計算光斑相對于第二光電感應器件的感應面中心位置所產(chǎn)生的平行偏移量來監(jiān)控光束平行偏移。
5.如權利要求1所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒?，其特征在于，所述步驟(2) 中，用于監(jiān)控光束準直度的方法為將第三監(jiān)控光束直接或轉(zhuǎn)變成線偏振光后入射到斜方棱鏡上，在所述斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生至少一次全反射；在所述斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生全反射后的光束出射后，被第三光電感應器件接收并處理得到入射光束的歸一化剖面光強分布曲線，并據(jù)此來監(jiān)控光束準直度。
6.一種光束漂移實時自動校正補償?shù)难b置，包括激光器，用于發(fā)出激光光束；單模光纖和準直透鏡，用于對所述激光光束進行初級準直；角錐棱鏡，用于對所述初級準直后的光束進行光路折轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光束平行偏移用于光束平行偏移調(diào)整；第一分光棱鏡，用于將經(jīng)所述光路折轉(zhuǎn)后的光束分光為第一透射光線和第一反射光線，所述第一反射光線為第一監(jiān)控光束；平凸透鏡，用于將所述第一監(jiān)控光束聚焦得到聚焦光斑；第一光電感應器件，用于根據(jù)接收的聚焦光斑的信號監(jiān)控激光光束的能量漂移和角向偏移；第二分光棱鏡，用于將所述第一透射光線分光為第二透射光線和第二反射光線，所述第二反射光線為第二監(jiān)控光束；第二光電感應器件，用于根據(jù)接收的第二監(jiān)控光束的信號監(jiān)控激光光束的平行偏移；第三分光棱鏡，用于將所述第二透射光線分光為第三透射光線和第三反射光線，所述第三反射光線為第三監(jiān)控光束，所述第三透射光線為工作光束；所述第三透射光線的方向與所述第一透射光線的方向、第二透射光線的方向、以及入射到第一分光棱鏡的光束的方向相同，所述第三監(jiān)控光束的光強與所述第一監(jiān)控光束的光強、第二監(jiān)控光束的光強保持相同；斜方棱鏡，用于對入射的第三監(jiān)控光束產(chǎn)生全反射并折轉(zhuǎn)光路；第三光電感應器件，用于接收由所述斜方棱鏡出射的光線并根據(jù)接收信號監(jiān)控激光光束的準直度；計算機，用于接收第一、第二和第三光電感應器件反饋的監(jiān)控信息并進行分析處理后發(fā)出調(diào)整控制信號；納米平移臺，用于根據(jù)所述計算機發(fā)出的調(diào)整控制信號來調(diào)整單模光纖出射端面與準直透鏡的相對位置；所述納米平移臺與單模光纖出射端面緊固連接，或者所述的納米平移臺與準直透鏡緊固連接。
7.如權利要求6所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)难b置，其特征在于還包括起偏器，用于將所述第三監(jiān)控光束轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，所述的線偏振光再依次進入所述斜方棱鏡和第三光電感應器件。
8.如權利要求6或7所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)难b置，其特征在于所述的第一光電感應器件為位置敏感探測器。
9.如權利要求6或7所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)难b置，其特征在于所述的第二光電感應器件為位置敏感探測器或者四象限探測器。
10.如權利要求6或7所述的光束漂移實時自動校正補償?shù)难b置，其特征在于所述的第三光電感應器件為高速電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體陣列探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光束漂移實時自動校正補償?shù)姆椒ê脱b置。該方法包括將激光光束初級準直后，依次通過三個分光棱鏡分光，得到一束工作光束和三束監(jiān)控光束，三束監(jiān)控光束由相應的光電感應器件接收并分別用于監(jiān)控能量漂移和角向偏移、平行偏移、以及準直度漂移，根據(jù)得到的監(jiān)控信息完成對激光光束各參量的實時調(diào)整。該裝置包括激光器、單模光纖、準直透鏡、角錐棱鏡、第一分光棱鏡、平凸透鏡、第一光電感應器件、第二分光棱鏡、第二光電感應器件、第三分光棱鏡、斜方棱鏡、第三光電感應器件、計算機和納米平移臺。本發(fā)明調(diào)整精度高、調(diào)整范圍大、調(diào)整過程快速準確，且不會產(chǎn)生相互干擾、裝置結(jié)構(gòu)簡潔。
文檔編號G02B27/30GK102508365SQ20111033893
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權日2011年11月1日
發(fā)明者劉旭, 匡翠方, 李帥, 李旸暉, 郝翔 申請人:浙江大學