專利名稱：一種雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密或超精密光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及基于雙激光光束的同軸實(shí)時(shí)調(diào) 整的方法及裝置。
背景技術(shù)：
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(diǎn)，被廣泛用于各種精 密或超精密光學(xué)觀測(cè)及測(cè)量設(shè)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) 生平行偏移和角偏移，并隨著時(shí)間的推移該現(xiàn)象會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重，極大地影響精密觀測(cè)及測(cè)量 設(shè)備的精度，甚至影響設(shè)備的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了獲得更高的分辨率或 測(cè)量精度，越來(lái)越多的超高精度觀測(cè)及測(cè)量設(shè)備，如受激發(fā)射損耗熒光成像顯微鏡(STED Stimulated Emission Depletion Microscopy)等，采用了兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的激光器，更 對(duì)激光光束間的同軸度(包括平行和角度兩方面)提出了更為苛刻的要求。為了保證系統(tǒng) 的測(cè)量分辨率，目前常規(guī)的作法是在設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間(通常為2 3小時(shí))后重新進(jìn)行 校準(zhǔn)，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也并不能完全保證整個(gè)觀測(cè)或測(cè)量過程的連續(xù)性和準(zhǔn) 確性。公認(rèn)較好的作法是在設(shè)備使用過程中對(duì)激光光束進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)產(chǎn)生的平行和角 度偏移進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與補(bǔ)償。科研工作者為此也進(jìn)行了大量的工作。2004年，趙維謙等 (中國(guó)專利CN200410033610. 8)提出了一種對(duì)單束激光進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和補(bǔ)償?shù)姆椒?。該?法雖然解決了激光光束的實(shí)時(shí)調(diào)整問題，可以較好地應(yīng)用于熒光自相關(guān)頻譜分析儀(FCS fluorescenceCorrelation Spectroscopy)、激光準(zhǔn)直儀等單激光光束設(shè)備，但對(duì)于需要雙 激光光束的STED等設(shè)備卻無(wú)能為力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，采取對(duì)雙光束進(jìn)行調(diào)制和光線折 轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)雙光束同軸匯合；同時(shí)將雙光束的同軸光分出部分作為檢測(cè)光束，并對(duì)檢測(cè) 光束進(jìn)行分光處理，實(shí)現(xiàn)分別對(duì)兩光束進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)整，對(duì)兩光束的調(diào)整交替進(jìn)行，從 而保證出射光束的高精度同軸準(zhǔn)直，克服已有技術(shù)在雙激光光束同軸度實(shí)時(shí)調(diào)整方面的不 足。一種雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，包括以下步驟(1)將由兩個(gè)激光器發(fā)出的兩激光光束調(diào)制為偏振方向互相垂直的兩束線偏振 光；(2)將兩束線偏振光通過光線折轉(zhuǎn)匯合成同軸出射光束；(3)將同軸出射光束分光出一部分作為檢測(cè)光束；(4)對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行光束篩選，使得在任何時(shí)刻只有單一激光器發(fā)出的光能量通 過，并通過調(diào)整光束篩選的條件，使得兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過成為待檢光束；
(5)將待檢光束分光成兩束，將待檢光束分光成兩束，對(duì)其中一束進(jìn)行位置探測(cè)檢 測(cè)平行偏移量，對(duì)另一束進(jìn)行角度探測(cè)檢測(cè)角偏移量；(6)根據(jù)得到的平行偏移量的大小，使激光光束向平行偏移量減小的方向進(jìn)行光 束空間平動(dòng)調(diào)整；根據(jù)得到的角偏移量的大小，使激光光束向角偏移量減小的方向進(jìn)行光 束空間角動(dòng)調(diào)整；平動(dòng)調(diào)整和角動(dòng)調(diào)整同時(shí)進(jìn)行；(7)兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過成為待檢光束，重復(fù)步驟(5)和(6)，實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)調(diào)整雙光束保持同軸度。本發(fā)明還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)上述雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法的裝置，包括用于發(fā)出兩激光光束的第一激光器和第二激光器；第一激光器發(fā)出第一入射光， 第二激光器發(fā)出第二入射光；用于將所述的兩激光光束調(diào)制為偏振方向互相垂直的兩束線偏振光的第一半玻 片和第二半玻片；第一半玻片將第一激光器發(fā)出的第一入射光調(diào)整為垂直方向上線偏振 光，第二半玻片將第二激光器發(fā)出的第二入射光調(diào)整為平行方向上線偏振光；用于將兩束線偏振光通過光線折轉(zhuǎn)匯合成同軸出射光束的第一光線折轉(zhuǎn)器件和 第二光線折轉(zhuǎn)器件；第一光線折轉(zhuǎn)器件對(duì)第一激光器發(fā)出的第一入射光進(jìn)行光線折轉(zhuǎn)，第 二光線折轉(zhuǎn)器件對(duì)第二激光器發(fā)出的第二入射光進(jìn)行光線折轉(zhuǎn)；用于從同軸出射光束分光出檢測(cè)光束的第一主光路分光器；用于對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行光束篩選使得在任何時(shí)刻只有單一激光器發(fā)出的光能量通 過，并通過調(diào)整光束篩選的條件，使得兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過成為待檢光束的 光束篩選器件；用于將待測(cè)光束分光成兩束并分別檢測(cè)光束的平行偏移量和角偏移量的檢測(cè)單 元，由用于將待測(cè)光束分光成兩束的第二檢測(cè)光路分光器以及分別用于接收分光后兩光束 的位置探測(cè)器和角度探測(cè)器組成；位置探測(cè)器為平行偏移探測(cè)器，角度探測(cè)器由角偏移檢 測(cè)透鏡和角偏移探測(cè)器組成；用于對(duì)平行偏移量和角偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和控制的調(diào)控單元，包括用于將位 置探測(cè)器和角度探測(cè)器的得到的實(shí)測(cè)光斑位置與預(yù)設(shè)的標(biāo)定光斑進(jìn)行比對(duì)得到光束的平 行偏移量和角偏移量并發(fā)出反饋控制信號(hào)的控制單元(通常為計(jì)算機(jī))，所述的控制單元 與位置探測(cè)器和角度探測(cè)器相連；以及用于根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)光束的平行偏移量和角偏移量 進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)，平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)通過作用于相應(yīng) 的光線折轉(zhuǎn)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)平行偏移量和角偏移量的實(shí)時(shí)調(diào)整。第一平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī) 構(gòu)作用于第一光線折轉(zhuǎn)器件，第二平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)作用于第二光線折轉(zhuǎn)器件。在所述的雙光軸同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，所述的第一主光路分光器和第二檢測(cè)光路 分光器優(yōu)選為多色鏡。在所述的雙光軸同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，所述的光束篩選器件優(yōu)選為液晶光閥，也 可通過現(xiàn)有技術(shù)中其它裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)相同功能。通過液晶光閥對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行分檢。利用液 晶對(duì)光線偏振選擇性透過的原理，周期性地調(diào)節(jié)液晶允許透過光線的偏振方向，使得合軸 的光能量中分別來(lái)自于第一激光器和第二激光器并在調(diào)制后具有不同偏振方向的光能量 能分別交替通過液晶光閥，成為待測(cè)光束，從而檢測(cè)單元可以周期性地分別對(duì)由第一激光 器和第二激光器發(fā)出的光束的平行偏移與角偏移量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率為液晶光閥刷新頻
5CN 101859030 A
率的1/2
在所述的雙光軸同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，所使用的角偏移量探測(cè)器和平行偏移探測(cè) 器可以使用多種技術(shù)方案，如位置傳感器(PSD fositionSensitive Detector)、四象限光 電探測(cè)器(QPD Quadrant PhotoelectricDetector)和高速電荷耦合器件(CCD Charge Couple Device)等。對(duì)于PSD或QPD，偏移量(包括平行偏移與角偏移)按如下公式進(jìn)行 歸一化處理 式中，IA、IB、Ic, ID分別為光束在PSD或QPD四象限上的輸出電流，Ex和Ey分別表 示x方向和y方向的偏移量。當(dāng)使用(XD時(shí)，x方向和y方向偏移量由標(biāo)準(zhǔn)位置與實(shí)測(cè)位置在(XD上的象素坐 標(biāo)差來(lái)表示。對(duì)于角偏移檢測(cè)，角偏移探測(cè)器放置于角偏移檢測(cè)透鏡的焦平面上。因此角偏移 量大小由如下公式確定
E
其中f為角偏移檢測(cè)透鏡的焦距，A e X和A e y分別為入射光在x方向和y方向 的角偏移量。對(duì)于平行偏移檢測(cè)分支，探測(cè)器不需要附加光學(xué)元件直接對(duì)平行偏移量進(jìn)行監(jiān) 控。因此平行偏移量大小由如下公式確定A x = ExAy = Ey式中，Ax和Ay分別為入射光在x方向和y方向的位置偏移量。在所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，所使用的平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)可以 使用機(jī)械傳動(dòng)或無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的壓電陶瓷平移臺(tái)和角偏轉(zhuǎn)器件。其中，使用無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的壓 電陶瓷方案具有更高的反饋調(diào)整速度和調(diào)整精度，可以達(dá)到平行偏移30納米以下，角度偏 移0. 1弧秒以下。優(yōu)選將所述的平行偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的光線折轉(zhuǎn)器件結(jié)合為帶二維平行微調(diào) 機(jī)構(gòu)的光線折轉(zhuǎn)器件。優(yōu)選將所述的角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的光線折轉(zhuǎn)器件結(jié)合為帶二維 角微調(diào)機(jī)構(gòu)的光線折轉(zhuǎn)器件。這樣一來(lái)，帶二維微調(diào)機(jī)構(gòu)的光線折轉(zhuǎn)器件除了折轉(zhuǎn)光路以 縮小整個(gè)裝置尺寸的作用外，還分別根據(jù)相應(yīng)的反饋信號(hào)對(duì)激光光束的平行偏移量和角偏 移量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到雙光束同軸調(diào)整的目的。在所述的雙光軸同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，光線折轉(zhuǎn)器件優(yōu)選由一系列的角錐棱鏡和 反射鏡組成。可以根據(jù)需要選取所需的角錐棱鏡和反射鏡的數(shù)量。為便于以下的敘述，本發(fā)明選擇如下的光線折轉(zhuǎn)器件來(lái)進(jìn)行說(shuō)明采取由第一角錐棱鏡和第一反射鏡構(gòu)成第一光線折轉(zhuǎn)器件對(duì)第一激光器發(fā)出的第一入射光進(jìn)行光線折 轉(zhuǎn)，由第二角錐棱鏡和第二反射鏡構(gòu)成第二光線折轉(zhuǎn)器件對(duì)第二激光器發(fā)出的第二入射光 進(jìn)行光線折轉(zhuǎn)。采取本發(fā)明的方法進(jìn)行雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，基本光路為第一入射光和第二入射光經(jīng)過由一系列反射/透射式光學(xué)元件構(gòu)成的光線折轉(zhuǎn) 器件后共同匯合成同軸主光路，在進(jìn)入后續(xù)光路前通過第一主光路分光器分出一小部分光 (不高于總光強(qiáng)的10% )形成檢測(cè)光，其余大部分光形成出射光。檢測(cè)光在進(jìn)入檢測(cè)模塊 后，將被進(jìn)一步分為檢測(cè)光路角偏移檢測(cè)分支和檢測(cè)光路平行偏移檢測(cè)分支。除偏振方向外，第一入射光和第二入射光的產(chǎn)生過程與經(jīng)過的光學(xué)元件完全相 同。第一入射光將依次通過第一角錐棱鏡、第一半玻片和第一反射鏡并最終匯入主光 路。第一角錐棱鏡和第一反射鏡折轉(zhuǎn)光路以縮小整個(gè)裝置尺寸的作用，第一半玻片的作用 是將從第一激光器發(fā)出的線偏振光調(diào)整到垂直方向上線偏振光，以方便檢測(cè)單元通過光線 篩分器(優(yōu)選液晶光閥)對(duì)入射的檢測(cè)光束進(jìn)行分檢。第二入射光將依次通過第二角錐棱鏡、第二玻片和第二反射鏡并最終匯入主光 路。第二角錐棱鏡和第二反射鏡折轉(zhuǎn)光路以縮小整個(gè)裝置尺寸的作用，第二半玻片的作用 是將從第二激光器發(fā)出的線偏振光調(diào)整到平行方向上線偏振光，以方便檢測(cè)單元通過光線 篩分器(優(yōu)選液晶光閥)對(duì)入射的檢測(cè)光束進(jìn)行分檢?？梢?，第一半玻片和半第二半玻片的作用是使得第一入射光與第二入射光通過半 玻片后的線偏振光在偏振方向上互相垂直。檢測(cè)光束在進(jìn)入檢測(cè)單元后，首先通過液晶光閥進(jìn)行分檢。利用液晶對(duì)光線偏振 選擇性透過的原理，周期性地調(diào)節(jié)液晶允許透過光線的偏振方向，使得檢測(cè)單元可以周期 性地對(duì)第一入射光和第二入射光的平行偏移與角偏移量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率為液晶光閥刷
新頻率的|。通過液晶光閥的檢測(cè)光將進(jìn)一步被第二檢測(cè)光路分光器分成檢測(cè)光路角偏移檢 測(cè)分支和檢測(cè)光路平行偏移檢測(cè)分支，同時(shí)對(duì)第一入射光或第二入射光的相對(duì)于同軸光束 的偏移量(包括角偏移和平行偏移)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)偏移量的大小分別發(fā)出角檢測(cè)反 饋數(shù)據(jù)和平行檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)。檢測(cè)偏移量的大小由探測(cè)器上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光斑位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) 光斑的位置偏移決定。計(jì)算機(jī)對(duì)于整個(gè)裝置的反饋及控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其信號(hào)處理頻率與液晶光閥的 刷新頻率保持一致，以確定接收到的角檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)和平行檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)應(yīng)作用于第一入 射光還是第二入射光。當(dāng)作用于第一入射光時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出對(duì)第一光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的指令，S卩，發(fā) 出第一反射鏡微調(diào)指令和第一角棱鏡微調(diào)指令，通過第一平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)分別 對(duì)第一入射光的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行校正。優(yōu)選采取由第一平行偏移和角偏移調(diào)整 機(jī)構(gòu)與第一光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)合一體的帶微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時(shí)，由帶有二維微位 移機(jī)構(gòu)的的第一角錐棱鏡和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡組成。帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡對(duì)第一入射光的位置偏移量進(jìn)行調(diào)整的過程如下當(dāng)?shù)谝蝗肷涔庀鄬?duì)于同軸位置出現(xiàn)位置偏移時(shí)，二維微位移機(jī)構(gòu)將控制第一角錐 棱鏡橫向位移至新的位置進(jìn)行校正。當(dāng)需要校正的位置偏移量為L(zhǎng)'時(shí)，第一角錐棱鏡的位 移量L為
L =L'/2帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡對(duì)第一入射光的角偏移量進(jìn)行調(diào)整的過程如 下當(dāng)?shù)谝蝗肷涔庀鄬?duì)于同軸位置出現(xiàn)角偏移時(shí)，二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)將控制第一反射鏡旋轉(zhuǎn) 至新的位置進(jìn)行校正。當(dāng)需要校正的角偏移量為0'時(shí)，第一反射鏡的角度旋轉(zhuǎn)量為θ=θ'/2當(dāng)作用于第二入射光時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出對(duì)第二光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的指令，S卩，發(fā) 出第二反射鏡微調(diào)指令和第二角棱鏡微調(diào)指令，通過第二平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)分別 對(duì)第二入射光的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行校正。優(yōu)選采取由第二平行偏移和角偏移調(diào)整 機(jī)構(gòu)與第二光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)合一體的帶微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二光線折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時(shí)，由帶有二維微位 移機(jī)構(gòu)的的第二角錐棱鏡和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡組成。具體校正方式和原理 與第一入射光完全相同。可見，反射鏡和角錐棱鏡除折轉(zhuǎn)光路的作用外，還需要根據(jù)分別根據(jù)相應(yīng)的反饋 信號(hào)和微調(diào)指令對(duì)入射光的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行校正。實(shí)際工作中，首先檢測(cè)和調(diào)整來(lái)自一個(gè)激光器的激光光束，然后調(diào)整液晶光閥，使 另一個(gè)激光器的光束進(jìn)入探測(cè)模塊，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整；通過交替調(diào)整來(lái)自第一激光器 和第二激光器的光束，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整雙光束同軸度的目的。本發(fā)明方法的基本原理是將從兩個(gè)激光器分別出射的兩束激光光束，分別通過 兩片半玻片調(diào)制為互相垂直的線偏振光后經(jīng)過光線折轉(zhuǎn)器件反射匯合成同軸出射光束，將 光束的一小部分(不高于10%的光強(qiáng))通過分光器導(dǎo)入檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)光束進(jìn)入 檢測(cè)模塊后，將通過一個(gè)高速液晶光閥進(jìn)行光束篩選，使在任意時(shí)刻只有來(lái)自單一激光器 的光能量進(jìn)入，并被分解為平行偏移和角偏移量分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)將與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信 號(hào)進(jìn)行比對(duì)后，通過計(jì)算機(jī)向相應(yīng)的平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行反饋交替調(diào)整，從而 達(dá)到保證出射光束的高精度同軸準(zhǔn)直的目的。本發(fā)明將光束偏移量快速反饋控制技術(shù)、偏 振光理論及液晶通光特性結(jié)合起來(lái)，克服已有技術(shù)在雙激光光束同軸度實(shí)時(shí)調(diào)整方面的不 足。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果(1)對(duì)基于激光光束的高精度精密觀測(cè)及測(cè)量設(shè)備中使用的激光光束進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān) 控與調(diào)整，調(diào)整過程中不影響設(shè)備的正常使用，保證了觀測(cè)與測(cè)量的連續(xù)性與準(zhǔn)確性；(2)可以同時(shí)對(duì)激光光束的平行偏移和角偏移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，提高了調(diào)整 的速度與精確度；(3)利用偏振光原理同時(shí)對(duì)兩個(gè)不同的激光器發(fā)出的激光光束進(jìn)行位置和角偏移 調(diào)整，兩個(gè)激光器的激光波長(zhǎng)異同對(duì)于調(diào)整精度沒有影響，擴(kuò)大了本方法與裝置的應(yīng)用范 圍；(4)在使用無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的壓電陶瓷作為平移臺(tái)和角偏轉(zhuǎn)器件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于激 光光束同軸度的高速反饋調(diào)節(jié)，相關(guān)裝置不需要開機(jī)預(yù)熱，大幅度提高了裝置的環(huán)境適應(yīng)能力和調(diào)整精度；(5)利用液晶光閥對(duì)光線偏振選擇性透過的原理，實(shí)現(xiàn)了利用一套檢測(cè)模塊同時(shí) 檢測(cè)兩束激光光束的目的，節(jié)約了裝置成本；(6)具有極高的同軸度調(diào)整精度，可以達(dá)到平行偏移30納米以下，角度偏移0. 1弧 秒以下的控制精度。


圖1為本發(fā)明的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明中水平偏移調(diào)整原理圖；圖3為本發(fā)明中角度偏移調(diào)整原理圖；圖4為將本發(fā)明應(yīng)用于STED中進(jìn)行雙光束同軸度實(shí)時(shí)調(diào)整的裝置結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。本發(fā)明的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一激光器1和第二激光器2 ；第一激光器1發(fā)出第一入射光R1，第二激光器2發(fā) 出第二入射光R2 ；第一半玻片5和第二半玻片6 ；第一半玻片5將第一入射光R1調(diào)整為垂直方向上 線偏振光，第二半玻片6將第二入射光R2調(diào)整為平行方向上線偏振光；帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡3和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7構(gòu) 成第一光線折轉(zhuǎn)器件，對(duì)第一入射光R1進(jìn)行光線折轉(zhuǎn)；帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第二角錐棱鏡4和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡8構(gòu) 成第二光線折轉(zhuǎn)器件，對(duì)第二入射光R2進(jìn)行光線折轉(zhuǎn)；第一入射光R1和第二入射光R2經(jīng)過上述光線折轉(zhuǎn)后匯合成同軸出射光束R4。多色鏡9作為第一主光路分光器，從同軸出射光束分光出檢測(cè)光束R3 ；液晶光閥10，對(duì)檢測(cè)光束R3進(jìn)行光束篩選，使得在任一時(shí)刻只有第一入射光R1或 第二入射光R2通過，通過調(diào)整液晶，使得第一入射光R1和第二入射光R2在不同時(shí)間交替 通過篩選成為待檢光束；多色鏡11，作為第二檢測(cè)光路分光器，將待檢光束進(jìn)一步分為檢測(cè)光路角偏移檢 測(cè)分支R5和檢測(cè)光路平行偏移檢測(cè)分支R6 ；角偏移檢測(cè)透鏡12和角偏移探測(cè)器13構(gòu)成角度探測(cè)器，探測(cè)R5的角偏移量，平 行偏移探測(cè)器14為位置探測(cè)器，探測(cè)平行偏移量多色鏡11、角偏移檢測(cè)透鏡12和角偏移探測(cè)器13、平行偏移探測(cè)器14構(gòu)成檢測(cè)單元。計(jì)算機(jī)15，與角偏移探測(cè)器13和平行偏移探測(cè)器14相連，將角偏移探測(cè)器13和 平行偏移探測(cè)器14得到的實(shí)測(cè)光斑位置與預(yù)設(shè)的標(biāo)定光斑進(jìn)行比對(duì)得到光束的平行偏移 量和角偏移量，并發(fā)出反饋控制信號(hào)，反饋控制信號(hào)驅(qū)使平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)光 線折轉(zhuǎn)器件進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的調(diào)整。由于以上的光線折轉(zhuǎn)器件帶有二維微調(diào)機(jī)構(gòu)，因此其除了折轉(zhuǎn)光路以縮小整個(gè)裝置尺寸的作用外，還分別根據(jù)相應(yīng)的反饋信號(hào)對(duì)激光光束的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行調(diào) 整，以達(dá)到雙光束同軸調(diào)整的目的。 在該雙光軸同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，角偏移探測(cè)器和平行偏移探測(cè)器可以使用多種 技術(shù)方案，如位置傳感器(PSD Position Sensitive Detector)、四象限光電探測(cè)器(QPD Quadrant Photoelectric Detector)禾口高速電荷華禹合器件(CCD Charge Couple Device) 等。對(duì)于PSD或QPD，偏移量(包括平行偏移與角偏移)按如下公式進(jìn)行歸一化處理 式中，IA、IB、Ic, ID分別為光束在PSD或QPD四象限上的輸出電流，Ex和Ey分別表 示x方向和y方向的偏移量。當(dāng)使用(XD時(shí)，x方向和y方向偏移量由標(biāo)準(zhǔn)位置與實(shí)測(cè)位置在(XD上的象素坐 標(biāo)差來(lái)表示。對(duì)于角偏移檢測(cè)分支R5，角偏移探測(cè)器13放置于角偏移檢測(cè)透鏡12的焦平面上。 因此角偏移量大小由如下公式確定 其中f為角偏移檢測(cè)透鏡12的焦距，A e x和A e y分別為入射光在x方向和y 方向的角偏移量。對(duì)于平行偏移檢測(cè)分支R6，探測(cè)器14不需要附加光學(xué)元件直接對(duì)平行偏移量進(jìn) 行監(jiān)控。因此平行偏移量大小由如下公式確定 < 式中，Ax和Ay分別為入射光在x方向和y方向的位置偏移量。在該雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置中，所使用的平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)可以使用 機(jī)械傳動(dòng)或無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的壓電陶瓷平移臺(tái)和角偏轉(zhuǎn)器件。其中，使用無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的壓電陶 瓷方案具有更高的反饋調(diào)整速度和調(diào)整精度，可以達(dá)到平行偏移30納米以下，角度偏移 0. 1弧秒以下。采用上述的裝置進(jìn)行雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，包括以下步驟第一入射光R1將依次通過帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡3、第一半玻片5 和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7并最終匯入主光路。帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角 錐棱鏡3和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7折轉(zhuǎn)光路以縮小整個(gè)裝置尺寸的作用，第 一半玻片5的作用是將第一入射光R1調(diào)整到垂直方向上線偏振光。第二入射光R2將依次通過帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第二角錐棱鏡4、第二玻片6和 帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡8并最終匯入主光路。帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第二角錐 棱鏡4和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡8折轉(zhuǎn)光路以縮小整個(gè)裝置尺寸的作用，第二半玻片6的作用是將第二入射光R2調(diào)整到平行方向上線偏振光。第一入射光R1與第二入射光R2匯入同軸主光路。第一入射光R1和第二入射光 R2的偏振方向互相垂直，其產(chǎn)生過程與經(jīng)過的光學(xué)元件類型完全相同。同軸主光路在進(jìn)入后續(xù)光路前通過多色鏡9分出一小部分光(不高于總光強(qiáng)的 10% )形成檢測(cè)光束R3，其余大部分光形成出射光R4。檢測(cè)光束R3在進(jìn)入檢測(cè)單元后，首先通過液晶光閥10進(jìn)行分檢。利用液晶對(duì)光 線偏振選擇性透過的原理，周期性地調(diào)節(jié)液晶允許透過光線的偏振方向，使得檢測(cè)單元可 以周期性地對(duì)第一入射光R1和第二入射光R2的平行偏移與角偏移量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率
為液晶光閥刷新頻率的|。通過液晶光閥10的檢測(cè)光束R3將進(jìn)一步被多色鏡11分成檢測(cè)光路角偏移檢測(cè) 分支R5和檢測(cè)光路平行偏移檢測(cè)分支R6，同時(shí)對(duì)第一入射光R1或第二入射光R2相對(duì)于同 軸光束的偏移量(包括角偏移和平行偏移)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)偏移量的大小分別發(fā)出角 檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)D1和平行檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)D2。檢測(cè)偏移量的大小由探測(cè)器上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光斑位 置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光斑的位置偏移決定。計(jì)算機(jī)15對(duì)于整個(gè)裝置的反饋及控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其信號(hào)處理頻率與液晶光 閥10的刷新頻率保持一致，以確定接收到的角檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)D1和平行檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)D2應(yīng) 作用于第一入射光R1還是第二入射光R2。當(dāng)作用于第一入射光R1時(shí)，計(jì)算機(jī)15對(duì)帶有二 維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7發(fā)出微調(diào)指令D3和對(duì)帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡 3發(fā)出微調(diào)指令D5，分別對(duì)第一入射光R1的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行校正；當(dāng)作用于第 二入射光R2時(shí)，計(jì)算機(jī)15發(fā)出對(duì)帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡8發(fā)出微調(diào)指令D4和 帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第二角錐棱鏡4發(fā)出微調(diào)指令D6，分別對(duì)第二入射光R2的平行偏移 量和角偏移量進(jìn)行校正?？梢?，帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的反射鏡和帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的角錐棱鏡除折轉(zhuǎn)光 路的作用外，還需要根據(jù)微調(diào)指令對(duì)入射光的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行校正。由于入射 光R1和入射光R2的校正方式和裝置完全相同，下面僅以入射光R1以例對(duì)進(jìn)行詳細(xì)闡述如圖2所示是通過帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡3對(duì)第一入射光R1的位 置偏移量進(jìn)行調(diào)整的示意圖。當(dāng)?shù)谝蝗肷涔釸1相對(duì)于同軸位置出現(xiàn)位置偏移時(shí)，二維微位 移機(jī)構(gòu)將控制第一角錐棱鏡3橫向位移至調(diào)節(jié)后的角錐棱鏡3’位置進(jìn)行校正。當(dāng)需要校 正的位置偏移量為L(zhǎng)'時(shí)，帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡3的位移量L為
L'
L =一 2如圖3所示是帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7對(duì)第一入射光R1的角偏移量 進(jìn)行調(diào)整的示意圖。當(dāng)?shù)谝蝗肷涔釸1相對(duì)于同軸位置出現(xiàn)角偏移時(shí)，二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)將控 制第一反射鏡7旋轉(zhuǎn)至調(diào)節(jié)后的反射鏡7’位置進(jìn)行校正。當(dāng)需要校正的角偏移量為e' 時(shí)，帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7的角度旋轉(zhuǎn)量為
Q,0 =——
2通過以上調(diào)節(jié)，得到調(diào)節(jié)后的第一入射光R1’。實(shí)際工作中，首先檢測(cè)和調(diào)整來(lái)自一個(gè)激光器的激光光束，然后調(diào)整液晶光閥，使另一個(gè)激光器的光束進(jìn)入探測(cè)模塊，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整；交替調(diào)整來(lái)自第一激光器和第 二激光器的光束，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整雙光束同軸度的目的。下面詳細(xì)介紹將本發(fā)明所述雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的裝置與方法應(yīng)用于實(shí)際高精 度觀測(cè)與檢測(cè)設(shè)備時(shí)的方法。圖4示出了當(dāng)將本裝置與方法應(yīng)用于STED超分辨率熒光顯 微鏡時(shí)的示意圖。入射光模塊U1和U2分別為兩套激光光源用以產(chǎn)生第一入射光R1和第二入射光 R2。第一入射光R1作為STED系統(tǒng)的熒光激發(fā)光，第二入射光R2作為熒光抑制光。類似地， 第一入射光R1將依次通過帶有二維微位移機(jī)構(gòu)的第一角錐棱鏡3、第一半玻片5和帶有二 維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第一反射鏡7并最終匯入主光路；第二入射光R2將依次通過帶有二維微位 移機(jī)構(gòu)的第二角錐棱鏡4、第二半玻片6和帶有二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的第二反射鏡8并最終匯入 主光路。與常規(guī)的配置方法(圖1)不同之處在于，由于STED對(duì)于光束同軸度的要求異常 嚴(yán)格，為抵消激光器自身性能變化對(duì)整個(gè)裝置的影響，在兩套入射光模塊中分別添加了激 光準(zhǔn)直單元16和17，利用單模光纖對(duì)激光器出射光進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)直以減小后續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整的難 度。同時(shí)，在入射光模塊U2中添加了位相板23，主要是為了滿足STED設(shè)備自身的要求，使 第二入射光R2從一般的高斯光束成為中空的環(huán)狀光束。在兩束入射光匯聚成主光路之后，通過多色鏡9將主光路分為檢測(cè)光R3和出射光 R4。出射光R4將首先通過四分之一玻片24還原為圓偏振光，而后通過顯微物鏡18最終到 達(dá)樣品19并激發(fā)熒光。熒光將被顯微物鏡18收集成為熒光收集光路R7，沿著與主光路完 全相反的方向，依次通過四分之一玻片24、多色鏡9、濾光片25、熒光捕捉透鏡20、小孔21 并最終被光子計(jì)數(shù)器22捕捉轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而完成整個(gè)STED的工作過程。其中濾光片 25為只允許熒光透過的帶通濾波器，防止入射激光反射對(duì)分析結(jié)果造成影響。光子計(jì)數(shù)器 22有多種技術(shù)方案供選擇，如高性能的光電倍增管(PMT :Photo-Multiplier Tube)、雪崩 式光電二極管(APD :Avalanche Photo-Diode)等。檢測(cè)光R3進(jìn)入檢測(cè)模塊U3，通過液晶光閥10進(jìn)行分檢。利用液晶對(duì)光線偏振選 擇性透過的原理，周期性地調(diào)節(jié)液晶允許透過光線的偏振方向，使得檢測(cè)單元可以周期性 地對(duì)第一入射光R1和第二入射光R2的平行偏移與角偏移量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率為液晶光
閥刷新頻率的1/2.通過液晶光閥10的檢測(cè)光束R3將進(jìn)一步被多色鏡11分成檢測(cè)光路角偏移檢測(cè) 分支R5和檢測(cè)光路平行偏移檢測(cè)分支R6，同時(shí)對(duì)第一入射光R1或第二入射光R2相對(duì)于同 軸光束的偏移量(包括角偏移和平行偏移)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)偏移量的大小分別發(fā)出角 檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)和平行檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)。檢測(cè)偏移量的大小由探測(cè)器上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光斑位置相對(duì) 于標(biāo)準(zhǔn)光斑的位置偏移決定。反饋數(shù)據(jù)的收集與處理機(jī)制與圖1所示完全相同，在圖4中 未示出。事實(shí)上，完全相同的配置方法也同樣適用于其他使用雙激光光束的類似設(shè)備。
權(quán)利要求
一種雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將由兩個(gè)激光器發(fā)出的兩激光光束調(diào)制為偏振方向互相垂直的兩束線偏振光；(2)將兩束線偏振光通過光線折轉(zhuǎn)匯合成同軸出射光束；(3)將同軸出射光束分光出一部分作為檢測(cè)光束；(4)對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行光束篩選，使得在任何時(shí)刻只有單一激光器發(fā)出的光能量通過，并通過調(diào)整光束篩選的條件，使得兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過成為待檢光束；(5)將待檢光束分光成兩束，對(duì)其中一束進(jìn)行位置探測(cè)檢測(cè)平行偏移量，對(duì)另一束進(jìn)行角度探測(cè)檢測(cè)角偏移量；(6)根據(jù)得到的平行偏移量的大小，使激光光束向平行偏移量減小的方向進(jìn)行光束空間平動(dòng)調(diào)整；根據(jù)得到的角偏移量的大小，使激光光束向角偏移量減小的方向進(jìn)行光束空間角動(dòng)調(diào)整；平動(dòng)調(diào)整和角動(dòng)調(diào)整同時(shí)進(jìn)行；(7)兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過光束篩選成為待檢光束，重復(fù)步驟(5)和(6)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整雙光束保持同軸度。
2.如權(quán)利要求1所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中分 光出作為檢測(cè)光束的部分不超過10%的光強(qiáng)。
3.如權(quán)利要求1所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，其特征在于，所述的步驟(4)中采 取液晶光閥周期性地調(diào)節(jié)液晶允許透過光線的偏振方向，兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量周期性 交替通過成為待檢光束。
4.如權(quán)利要求1所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，其特征在于，所述的步驟(6)中平 動(dòng)調(diào)整的精度為平行偏移30納米以下。
5.如權(quán)利要求1所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法，其特征在于，所述的步驟(6)中角 動(dòng)調(diào)整的精度為角度偏移0. 1弧秒以下。
6.用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1 5任一所述的雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整的方法的裝置，其特征 在于，該裝置包括用于發(fā)出兩激光光束的第一激光器和第二激光器；用于將所述的兩激光光束調(diào)制為偏振方向互相垂直的兩束線偏振光的第一半玻片和 第二半玻片；用于將兩束線偏振光通過光線折轉(zhuǎn)匯合成同軸出射光束的第一光線折轉(zhuǎn)器件和第二 光線折轉(zhuǎn)器件；用于從同軸出射光束分光出檢測(cè)光束的第一主光路分光器；用于對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行光束篩選使得在任何時(shí)刻只有單一激光器發(fā)出的光能量通過，并 通過調(diào)整光束篩選的條件，使得兩個(gè)激光器發(fā)出的光能量交替通過成為待檢光束的光束篩 選器件；用于將待測(cè)光束分光成兩束并分別檢測(cè)光束的平行偏移量和角偏移量的檢測(cè)單元，由 用于將待測(cè)光束分光成兩束的第二檢測(cè)光路分光器以及分別用于接收分光后兩光束的位 置探測(cè)器和角度探測(cè)器組成；用于對(duì)平行偏移量和角偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和控制的調(diào)控單元，包括用于將位置探 測(cè)器和角度探測(cè)器的得到的實(shí)測(cè)光斑位置與預(yù)設(shè)的標(biāo)定光斑進(jìn)行比對(duì)得到光束的平行偏 移量和角偏移量并發(fā)出反饋控制信號(hào)的控制單元，所述的控制單元與位置探測(cè)器和角度探測(cè)器相連；以及用于根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)光束的平行偏移量和角偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的平行偏 移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)，平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)通過作用于相應(yīng)的光線折轉(zhuǎn)器件來(lái)實(shí)現(xiàn) 平行偏移量和角偏移量的實(shí)時(shí)調(diào)整。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的光束篩選器件為液晶光閥。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的平行偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述的光線折 轉(zhuǎn)器件結(jié)合為帶二維平行微調(diào)機(jī)構(gòu)的光線折轉(zhuǎn)器件。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述的光線折轉(zhuǎn) 器件結(jié)合為帶二維角微調(diào)機(jī)構(gòu)的光線折轉(zhuǎn)器件。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的平行偏移和角偏移調(diào)整機(jī)構(gòu)為無(wú)機(jī) 械傳動(dòng)的壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙光束同軸實(shí)時(shí)調(diào)整裝置及方法，采取對(duì)雙光束進(jìn)行調(diào)制和光線折轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)雙光束同軸匯合；同時(shí)將雙光束的同軸光分出部分作為檢測(cè)光束，并對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行分光處理，實(shí)現(xiàn)分別對(duì)兩光束進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)整，對(duì)兩光束的調(diào)整交替進(jìn)行，從而保證出射光束的高精度同軸準(zhǔn)直，克服已有技術(shù)在雙激光光束同軸度實(shí)時(shí)調(diào)整方面的不足。本發(fā)明調(diào)整的速度與精確度高，在調(diào)整過程中不影響設(shè)備的正常使用，保證了觀測(cè)與測(cè)量的連續(xù)性與準(zhǔn)確性，可應(yīng)用于不同波長(zhǎng)的雙光束；利用一套檢測(cè)模塊可同時(shí)檢測(cè)雙光束，節(jié)約裝置，成本低。
文檔編號(hào)G01B11/27GK101859030SQ20101017776
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者劉旭, 匡翠方, 王婷婷, 郝翔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)