CN101859030A - 一种双光束同轴实时调整的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双光束同轴实时调整装置及方法，采取对双光束进行调制和光线折转处理，实现双光束同轴汇合；同时将双光束的同轴光分出部分作为检测光束，并对检测光束进行分光处理，实现分别对两光束进行检测和实时调整，对两光束的调整交替进行，从而保证出射光束的高精度同轴准直，克服已有技术在双激光光束同轴度实时调整方面的不足。本发明调整的速度与精确度高，在调整过程中不影响设备的正常使用，保证了观测与测量的连续性与准确性，可应用于不同波长的双光束；利用一套检测模块可同时检测双光束，节约装置，成本低。

Description

一种双光束同轴实时调整的装置与方法

技术领域

本发明涉及精密或超精密光学测量领域，具体涉及基于双激光光束的同轴实时调整的方法及装置。

背景技术

激光光束由于其具有良好的单色性、方向性及高亮度等优点，被广泛用于各种精密或超精密光学观测及测量设备中。但是，由于激光在激发过程中产生的高热量易引发系统器件变形、操作环境中温度湿度变化造成的空气折射率不均匀等原因，激光光束容易产生平行偏移和角偏移，并随着时间的推移该现象会愈发严重，极大地影响精密观测及测量设备的精度，甚至影响设备的使用寿命。随着科学技术的发展，为了获得更高的分辨率或测量精度，越来越多的超高精度观测及测量设备，如受激发射损耗荧光成像显微镜(STED：Stimulated Emission Depletion Microscopy)等，采用了两个甚至两个以上的激光器，更对激光光束间的同轴度(包括平行和角度两方面)提出了更为苛刻的要求。为了保证系统的测量分辨率，目前常规的作法是在设备运行一段时间(通常为2～3小时)后重新进行校准，这种方法不仅费时费力，而且也并不能完全保证整个观测或测量过程的连续性和准确性。

公认较好的作法是在设备使用过程中对激光光束进行监控并对产生的平行和角度偏移进行实时调整与补偿。科研工作者为此也进行了大量的工作。2004年，赵维谦等(中国专利：CN200410033610.8)提出了一种对单束激光进行实时监控和补偿的方法。该方法虽然解决了激光光束的实时调整问题，可以较好地应用于荧光自相关频谱分析仪(FCS：fluorescenceCorrelation Spectroscopy)、激光准直仪等单激光光束设备，但对于需要双激光光束的STED等设备却无能为力。

发明内容

本发明提供了一种双光束同轴实时调整的方法，采取对双光束进行调制和光线折转处理，实现双光束同轴汇合；同时将双光束的同轴光分出部分作为检测光束，并对检测光束进行分光处理，实现分别对两光束进行检测和实时调整，对两光束的调整交替进行，从而保证出射光束的高精度同轴准直，克服已有技术在双激光光束同轴度实时调整方面的不足。

一种双光束同轴实时调整的方法，包括以下步骤：

(1)将由两个激光器发出的两激光光束调制为偏振方向互相垂直的两束线偏振光；

(2)将两束线偏振光通过光线折转汇合成同轴出射光束；

(3)将同轴出射光束分光出一部分作为检测光束；

(4)对检测光束进行光束筛选，使得在任何时刻只有单一激光器发出的光能量通过，并通过调整光束筛选的条件，使得两个激光器发出的光能量交替通过成为待检光束；

(5)将待检光束分光成两束，将待检光束分光成两束，对其中一束进行位置探测检测平行偏移量，对另一束进行角度探测检测角偏移量；

(6)根据得到的平行偏移量的大小，使激光光束向平行偏移量减小的方向进行光束空间平动调整；根据得到的角偏移量的大小，使激光光束向角偏移量减小的方向进行光束空间角动调整；平动调整和角动调整同时进行；

(7)两个激光器发出的光能量交替通过成为待检光束，重复步骤(5)和(6)，实现实时调整双光束保持同轴度。

本发明还提供了一种用于实现上述双光束同轴实时调整的方法的装置，包括：

用于发出两激光光束的第一激光器和第二激光器；第一激光器发出第一入射光，第二激光器发出第二入射光；

用于将所述的两激光光束调制为偏振方向互相垂直的两束线偏振光的第一半玻片和第二半玻片；第一半玻片将第一激光器发出的第一入射光调整为垂直方向上线偏振光，第二半玻片将第二激光器发出的第二入射光调整为平行方向上线偏振光；

用于将两束线偏振光通过光线折转汇合成同轴出射光束的第一光线折转器件和第二光线折转器件；第一光线折转器件对第一激光器发出的第一入射光进行光线折转，第二光线折转器件对第二激光器发出的第二入射光进行光线折转；

用于从同轴出射光束分光出检测光束的第一主光路分光器；

用于对检测光束进行光束筛选使得在任何时刻只有单一激光器发出的光能量通过，并通过调整光束筛选的条件，使得两个激光器发出的光能量交替通过成为待检光束的光束筛选器件；

用于将待测光束分光成两束并分别检测光束的平行偏移量和角偏移量的检测单元，由用于将待测光束分光成两束的第二检测光路分光器以及分别用于接收分光后两光束的位置探测器和角度探测器组成；位置探测器为平行偏移探测器，角度探测器由角偏移检测透镜和角偏移探测器组成；

用于对平行偏移量和角偏移量进行实时反馈和控制的调控单元，包括：用于将位置探测器和角度探测器的得到的实测光斑位置与预设的标定光斑进行比对得到光束的平行偏移量和角偏移量并发出反馈控制信号的控制单元(通常为计算机)，所述的控制单元与位置探测器和角度探测器相连；以及用于根据反馈信号对光束的平行偏移量和角偏移量进行实时调整的平行偏移和角偏移调整机构，平行偏移和角偏移调整机构通过作用于相应的光线折转器件来实现平行偏移量和角偏移量的实时调整。第一平行偏移和角偏移调整机构作用于第一光线折转器件，第二平行偏移和角偏移调整机构作用于第二光线折转器件。

在所述的双光轴同轴实时调整装置中，所述的第一主光路分光器和第二检测光路分光器优选为多色镜。

在所述的双光轴同轴实时调整装置中，所述的光束筛选器件优选为液晶光阀，也可通过现有技术中其它装置来实现相同功能。通过液晶光阀对检测光束进行分检。利用液晶对光线偏振选择性透过的原理，周期性地调节液晶允许透过光线的偏振方向，使得合轴的光能量中分别来自于第一激光器和第二激光器并在调制后具有不同偏振方向的光能量能分别交替通过液晶光阀，成为待测光束，从而检测单元可以周期性地分别对由第一激光器和第二激光器发出的光束的平行偏移与角偏移量进行检测，检测频率为液晶光阀刷新频率的

在所述的双光轴同轴实时调整装置中，所使用的角偏移量探测器和平行偏移探测器可以使用多种技术方案，如位置传感器(PSD：PositionSensitive Detector)、四象限光电探测器(QPD：Quadrant PhotoelectricDetector)和高速电荷耦合器件(CCD：Charge Couple Device)等。对于PSD或QPD，偏移量(包括平行偏移与角偏移)按如下公式进行归一化处理：

$E_x=\frac{I_A-I_C}{I_A+I_B+I_C+I_D}$

$E_y=\frac{I_B-I_D}{I_A+I_B+I_C+I_D}$

式中，I_A、I_B、I_C、I_D分别为光束在PSD或QPD四象限上的输出电流，E_x和E_y分别表示x方向和y方向的偏移量。

当使用CCD时，x方向和y方向偏移量由标准位置与实测位置在CCD上的象素坐标差来表示。

对于角偏移检测，角偏移探测器放置于角偏移检测透镜的焦平面上。因此角偏移量大小由如下公式确定：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left(\frac{E_x}{f}\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left(\frac{E_y}{f}\right)$

其中f为角偏移检测透镜的焦距，Δθ_x和Δθ_y分别为入射光在x方向和y方向的角偏移量。

对于平行偏移检测分支，探测器不需要附加光学元件直接对平行偏移量进行监控。因此平行偏移量大小由如下公式确定：

Δx＝E_x

Δy＝E_y

式中，Δx和Δy分别为入射光在x方向和y方向的位置偏移量。

在所述的双光束同轴实时调整装置中，所使用的平行偏移和角偏移调整机构可以使用机械传动或无机械传动的压电陶瓷平移台和角偏转器件。其中，使用无机械传动的压电陶瓷方案具有更高的反馈调整速度和调整精度，可以达到平行偏移30纳米以下，角度偏移0.1弧秒以下。

优选将所述的平行偏移调整机构与相应的光线折转器件结合为带二维平行微调机构的光线折转器件。优选将所述的角偏移调整机构与相应的光线折转器件结合为带二维角微调机构的光线折转器件。这样一来，带二维微调机构的光线折转器件除了折转光路以缩小整个装置尺寸的作用外，还分别根据相应的反馈信号对激光光束的平行偏移量和角偏移量进行调整，以达到双光束同轴调整的目的。

在所述的双光轴同轴实时调整装置中，光线折转器件优选由一系列的角锥棱镜和反射镜组成。可以根据需要选取所需的角锥棱镜和反射镜的数量。

为便于以下的叙述，本发明选择如下的光线折转器件来进行说明：采取由第一角锥棱镜和第一反射镜构成第一光线折转器件对第一激光器发出的第一入射光进行光线折转，由第二角锥棱镜和第二反射镜构成第二光线折转器件对第二激光器发出的第二入射光进行光线折转。

采取本发明的方法进行双光束同轴实时调整时，基本光路为：

第一入射光和第二入射光经过由一系列反射/透射式光学元件构成的光线折转器件后共同汇合成同轴主光路，在进入后续光路前通过第一主光路分光器分出一小部分光(不高于总光强的10％)形成检测光，其余大部分光形成出射光。检测光在进入检测模块后，将被进一步分为检测光路角偏移检测分支和检测光路平行偏移检测分支。

除偏振方向外，第一入射光和第二入射光的产生过程与经过的光学元件完全相同。

第一入射光将依次通过第一角锥棱镜、第一半玻片和第一反射镜并最终汇入主光路。第一角锥棱镜和第一反射镜折转光路以缩小整个装置尺寸的作用，第一半玻片的作用是将从第一激光器发出的线偏振光调整到垂直方向上线偏振光，以方便检测单元通过光线筛分器(优选液晶光阀)对入射的检测光束进行分检。

第二入射光将依次通过第二角锥棱镜、第二玻片和第二反射镜并最终汇入主光路。第二角锥棱镜和第二反射镜折转光路以缩小整个装置尺寸的作用，第二半玻片的作用是将从第二激光器发出的线偏振光调整到平行方向上线偏振光，以方便检测单元通过光线筛分器(优选液晶光阀)对入射的检测光束进行分检。

可见，第一半玻片和半第二半玻片的作用是使得第一入射光与第二入射光通过半玻片后的线偏振光在偏振方向上互相垂直。

检测光束在进入检测单元后，首先通过液晶光阀进行分检。利用液晶对光线偏振选择性透过的原理，周期性地调节液晶允许透过光线的偏振方向，使得检测单元可以周期性地对第一入射光和第二入射光的平行偏移与角偏移量进行检测，检测频率为液晶光阀刷新频率的

通过液晶光阀的检测光将进一步被第二检测光路分光器分成检测光路角偏移检测分支和检测光路平行偏移检测分支，同时对第一入射光或第二入射光的相对于同轴光束的偏移量(包括角偏移和平行偏移)进行实时监控并根据偏移量的大小分别发出角检测反馈数据和平行检测反馈数据。检测偏移量的大小由探测器上实时监测光斑位置相对于标准光斑的位置偏移决定。

计算机对于整个装置的反馈及控制数据进行处理，其信号处理频率与液晶光阀的刷新频率保持一致，以确定接收到的角检测反馈数据和平行检测反馈数据应作用于第一入射光还是第二入射光。

当作用于第一入射光时，计算机发出对第一光线折转机构进行调整的指令，即，发出第一反射镜微调指令和第一角棱镜微调指令，通过第一平行偏移和角偏移调整机构分别对第一入射光的平行偏移量和角偏移量进行校正。优选采取由第一平行偏移和角偏移调整机构与第一光线折转机构结合一体的带微调机构的第一光线折转机构时，由带有二维微位移机构的的第一角锥棱镜和带有二维角微调机构的第一反射镜组成。

带有二维微位移机构的第一角锥棱镜对第一入射光的位置偏移量进行调整的过程如下：当第一入射光相对于同轴位置出现位置偏移时，二维微位移机构将控制第一角锥棱镜横向位移至新的位置进行校正。当需要校正的位置偏移量为L′时，第一角锥棱镜的位移量L为：

$L=\frac{L^{\′}}{2}$

带有二维角微调机构的第一反射镜对第一入射光的角偏移量进行调整的过程如下：当第一入射光相对于同轴位置出现角偏移时，二维角微调机构将控制第一反射镜旋转至新的位置进行校正。当需要校正的角偏移量为θ′时，第一反射镜的角度旋转量为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{2}$

当作用于第二入射光时，计算机发出对第二光线折转机构进行调整的指令，即，发出第二反射镜微调指令和第二角棱镜微调指令，通过第二平行偏移和角偏移调整机构分别对第二入射光的平行偏移量和角偏移量进行校正。优选采取由第二平行偏移和角偏移调整机构与第二光线折转机构结合一体的带微调机构的第二光线折转机构时，由带有二维微位移机构的的第二角锥棱镜和带有二维角微调机构的第二反射镜组成。具体校正方式和原理与第一入射光完全相同。

可见，反射镜和角锥棱镜除折转光路的作用外，还需要根据分别根据相应的反馈信号和微调指令对入射光的平行偏移量和角偏移量进行校正。

实际工作中，首先检测和调整来自一个激光器的激光光束，然后调整液晶光阀，使另一个激光器的光束进入探测模块，对其进行检测和调整；通过交替调整来自第一激光器和第二激光器的光束，达到实时调整双光束同轴度的目的。

本发明方法的基本原理是：将从两个激光器分别出射的两束激光光束，分别通过两片半玻片调制为互相垂直的线偏振光后经过光线折转器件反射汇合成同轴出射光束，将光束的一小部分(不高于10％的光强)通过分光器导入检测模块进行检测。检测光束进入检测模块后，将通过一个高速液晶光阀进行光束筛选，使在任意时刻只有来自单一激光器的光能量进入，并被分解为平行偏移和角偏移量分别进行检测，检测信号将与预设标准信号进行比对后，通过计算机向相应的平行偏移和角偏移调整机构进行反馈交替调整，从而达到保证出射光束的高精度同轴准直的目的。本发明将光束偏移量快速反馈控制技术、偏振光理论及液晶通光特性结合起来，克服已有技术在双激光光束同轴度实时调整方面的不足。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)对基于激光光束的高精度精密观测及测量设备中使用的激光光束进行实时监控与调整，调整过程中不影响设备的正常使用，保证了观测与测量的连续性与准确性；

(2)可以同时对激光光束的平行偏移和角偏移进行实时监控和调整，提高了调整的速度与精确度；

(3)利用偏振光原理同时对两个不同的激光器发出的激光光束进行位置和角偏移调整，两个激光器的激光波长异同对于调整精度没有影响，扩大了本方法与装置的应用范围；

(4)在使用无机械传动的压电陶瓷作为平移台和角偏转器件时，可以实现对于激光光束同轴度的高速反馈调节，相关装置不需要开机预热，大幅度提高了装置的环境适应能力和调整精度；

(5)利用液晶光阀对光线偏振选择性透过的原理，实现了利用一套检测模块同时检测两束激光光束的目的，节约了装置成本；

(6)具有极高的同轴度调整精度，可以达到平行偏移30纳米以下，角度偏移0.1弧秒以下的控制精度。

附图说明

图1为本发明的双光束同轴实时调整装置的结构原理图；

图2为本发明中水平偏移调整原理图；

图3为本发明中角度偏移调整原理图；

图4为将本发明应用于STED中进行双光束同轴度实时调整的装置结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本发明的双光束同轴实时调整装置的结构如图1所示，包括：

第一激光器1和第二激光器2；第一激光器1发出第一入射光R1，第二激光器2发出第二入射光R2；

第一半玻片5和第二半玻片6；第一半玻片5将第一入射光R1调整为垂直方向上线偏振光，第二半玻片6将第二入射光R2调整为平行方向上线偏振光；

带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3和带有二维角微调机构的第一反射镜7构成第一光线折转器件，对第一入射光R1进行光线折转；

带有二维微位移机构的第二角锥棱镜4和带有二维角微调机构的第二反射镜8构成第二光线折转器件，对第二入射光R2进行光线折转；

第一入射光R1和第二入射光R2经过上述光线折转后汇合成同轴出射光束R4。

多色镜9作为第一主光路分光器，从同轴出射光束分光出检测光束R3；

液晶光阀10，对检测光束R3进行光束筛选，使得在任一时刻只有第一入射光R1或第二入射光R2通过，通过调整液晶，使得第一入射光R1和第二入射光R2在不同时间交替通过筛选成为待检光束；

多色镜11，作为第二检测光路分光器，将待检光束进一步分为检测光路角偏移检测分支R5和检测光路平行偏移检测分支R6；

角偏移检测透镜12和角偏移探测器13构成角度探测器，探测R5的角偏移量，平行偏移探测器14为位置探测器，探测平行偏移量

多色镜11、角偏移检测透镜12和角偏移探测器13、平行偏移探测器14构成检测单元。

计算机15，与角偏移探测器13和平行偏移探测器14相连，将角偏移探测器13和平行偏移探测器14得到的实测光斑位置与预设的标定光斑进行比对得到光束的平行偏移量和角偏移量，并发出反馈控制信号，反馈控制信号驱使平行偏移和角偏移调整机构对光线折转器件进行调整，从而实现对入射光的调整。

由于以上的光线折转器件带有二维微调机构，因此其除了折转光路以缩小整个装置尺寸的作用外，还分别根据相应的反馈信号对激光光束的平行偏移量和角偏移量进行调整，以达到双光束同轴调整的目的。

在该双光轴同轴实时调整装置中，角偏移探测器和平行偏移探测器可以使用多种技术方案，如位置传感器(PSD：Position Sensitive Detector)、四象限光电探测器(QPD：Quadrant Photoelectric Detector)和高速电荷耦合器件(CCD：Charge Couple Device)等。对于PSD或QPD，偏移量(包括平行偏移与角偏移)按如下公式进行归一化处理：

$E_x=\frac{I_A-I_C}{I_A+I_B+I_C+I_D}$

$E_y=\frac{I_B-I_D}{I_A+I_B+I_C+I_D}$

式中，I_A、I_B、I_C、I_D分别为光束在PSD或QPD四象限上的输出电流，E_x和E_y分别表示x方向和y方向的偏移量。

当使用CCD时，x方向和y方向偏移量由标准位置与实测位置在CCD上的象素坐标差来表示。

对于角偏移检测分支R5，角偏移探测器13放置于角偏移检测透镜12的焦平面上。因此角偏移量大小由如下公式确定：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_x=\arctan \left(\frac{E_x}{f}\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_y=\arctan \left(\frac{E_y}{f}\right)$

其中f为角偏移检测透镜12的焦距，Δθ_x和Δθ_y分别为入射光在x方向和y方向的角偏移量。

对于平行偏移检测分支R6，探测器14不需要附加光学元件直接对平行偏移量进行监控。因此平行偏移量大小由如下公式确定：

Δx＝E_x

Δy＝E_y

式中，Δx和Δy分别为入射光在x方向和y方向的位置偏移量。

在该双光束同轴实时调整装置中，所使用的平行偏移和角偏移调整机构可以使用机械传动或无机械传动的压电陶瓷平移台和角偏转器件。其中，使用无机械传动的压电陶瓷方案具有更高的反馈调整速度和调整精度，可以达到平行偏移30纳米以下，角度偏移0.1弧秒以下。

采用上述的装置进行双光束同轴实时调整的方法，包括以下步骤：

第一入射光R1将依次通过带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3、第一半玻片5和带有二维角微调机构的第一反射镜7并最终汇入主光路。带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3和带有二维角微调机构的第一反射镜7折转光路以缩小整个装置尺寸的作用，第一半玻片5的作用是将第一入射光R1调整到垂直方向上线偏振光。

第二入射光R2将依次通过带有二维微位移机构的第二角锥棱镜4、第二玻片6和带有二维角微调机构的第二反射镜8并最终汇入主光路。带有二维微位移机构的第二角锥棱镜4和带有二维角微调机构的第二反射镜8折转光路以缩小整个装置尺寸的作用，第二半玻片6的作用是将第二入射光R2调整到平行方向上线偏振光。

第一入射光R1与第二入射光R2汇入同轴主光路。第一入射光R1和第二入射光R2的偏振方向互相垂直，其产生过程与经过的光学元件类型完全相同。

同轴主光路在进入后续光路前通过多色镜9分出一小部分光(不高于总光强的10％)形成检测光束R3，其余大部分光形成出射光R4。

检测光束R3在进入检测单元后，首先通过液晶光阀10进行分检。利用液晶对光线偏振选择性透过的原理，周期性地调节液晶允许透过光线的偏振方向，使得检测单元可以周期性地对第一入射光R1和第二入射光R2的平行偏移与角偏移量进行检测，检测频率为液晶光阀刷新频率的

通过液晶光阀10的检测光束R3将进一步被多色镜11分成检测光路角偏移检测分支R5和检测光路平行偏移检测分支R6，同时对第一入射光R1或第二入射光R2相对于同轴光束的偏移量(包括角偏移和平行偏移)进行实时监控并根据偏移量的大小分别发出角检测反馈数据D1和平行检测反馈数据D2。检测偏移量的大小由探测器上实时监测光斑位置相对于标准光斑的位置偏移决定。

计算机15对于整个装置的反馈及控制数据进行处理，其信号处理频率与液晶光阀10的刷新频率保持一致，以确定接收到的角检测反馈数据D1和平行检测反馈数据D2应作用于第一入射光R1还是第二入射光R2。当作用于第一入射光R1时，计算机15对带有二维角微调机构的第一反射镜7发出微调指令D3和对带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3发出微调指令D5，分别对第一入射光R1的平行偏移量和角偏移量进行校正；当作用于第二入射光R2时，计算机15发出对带有二维角微调机构的第二反射镜8发出微调指令D4和带有二维微位移机构的第二角锥棱镜4发出微调指令D6，分别对第二入射光R2的平行偏移量和角偏移量进行校正。

可见，带有二维角微调机构的反射镜和带有二维微位移机构的角锥棱镜除折转光路的作用外，还需要根据微调指令对入射光的平行偏移量和角偏移量进行校正。由于入射光R1和入射光R2的校正方式和装置完全相同，下面仅以入射光R1以例对进行详细阐述：

如图2所示是通过带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3对第一入射光R1的位置偏移量进行调整的示意图。当第一入射光R1相对于同轴位置出现位置偏移时，二维微位移机构将控制第一角锥棱镜3横向位移至调节后的角锥棱镜3’位置进行校正。当需要校正的位置偏移量为L′时，带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3的位移量L为：

$L=\frac{L^{\′}}{2}$

如图3所示是带有二维角微调机构的第一反射镜7对第一入射光R1的角偏移量进行调整的示意图。当第一入射光R1相对于同轴位置出现角偏移时，二维角微调机构将控制第一反射镜7旋转至调节后的反射镜7’位置进行校正。当需要校正的角偏移量为θ′时，带有二维角微调机构的第一反射镜7的角度旋转量为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{2}$

通过以上调节，得到调节后的第一入射光R1’。

实际工作中，首先检测和调整来自一个激光器的激光光束，然后调整液晶光阀，使另一个激光器的光束进入探测模块，对其进行检测和调整；交替调整来自第一激光器和第二激光器的光束，达到实时调整双光束同轴度的目的。

下面详细介绍将本发明所述双光束同轴实时调整的装置与方法应用于实际高精度观测与检测设备时的方法。图4示出了当将本装置与方法应用于STED超分辨率荧光显微镜时的示意图。

入射光模块U1和U2分别为两套激光光源用以产生第一入射光R1和第二入射光R2。第一入射光R1作为STED系统的荧光激发光，第二入射光R2作为荧光抑制光。类似地，第一入射光R1将依次通过带有二维微位移机构的第一角锥棱镜3、第一半玻片5和带有二维角微调机构的第一反射镜7并最终汇入主光路；第二入射光R2将依次通过带有二维微位移机构的第二角锥棱镜4、第二半玻片6和带有二维角微调机构的第二反射镜8并最终汇入主光路。与常规的配置方法(图1)不同之处在于，由于STED对于光束同轴度的要求异常严格，为抵消激光器自身性能变化对整个装置的影响，在两套入射光模块中分别添加了激光准直单元16和17，利用单模光纤对激光器出射光进行预准直以减小后续实时调整的难度。同时，在入射光模块U2中添加了位相板23，主要是为了满足STED设备自身的要求，使第二入射光R2从一般的高斯光束成为中空的环状光束。

在两束入射光汇聚成主光路之后，通过多色镜9将主光路分为检测光R3和出射光R4。出射光R4将首先通过四分之一玻片24还原为圆偏振光，而后通过显微物镜18最终到达样品19并激发荧光。荧光将被显微物镜18收集成为荧光收集光路R7，沿着与主光路完全相反的方向，依次通过四分之一玻片24、多色镜9、滤光片25、荧光捕捉透镜20、小孔21并最终被光子计数器22捕捉转化为电信号，从而完成整个STED的工作过程。其中滤光片25为只允许荧光透过的带通滤波器，防止入射激光反射对分析结果造成影响。光子计数器22有多种技术方案供选择，如高性能的光电倍增管(PMT：Photo-Multiplier Tube)、雪崩式光电二极管(APD：Avalanche Photo-Diode)等。

检测光R3进入检测模块U3，通过液晶光阀10进行分检。利用液晶对光线偏振选择性透过的原理，周期性地调节液晶允许透过光线的偏振方向，使得检测单元可以周期性地对第一入射光R1和第二入射光R2的平行偏移与角偏移量进行检测，检测频率为液晶光阀刷新频率的

通过液晶光阀10的检测光束R3将进一步被多色镜11分成检测光路角偏移检测分支R5和检测光路平行偏移检测分支R6，同时对第一入射光R1或第二入射光R2相对于同轴光束的偏移量(包括角偏移和平行偏移)进行实时监控并根据偏移量的大小分别发出角检测反馈数据和平行检测反馈数据。检测偏移量的大小由探测器上实时监测光斑位置相对于标准光斑的位置偏移决定。反馈数据的收集与处理机制与图1所示完全相同，在图4中未示出。

事实上，完全相同的配置方法也同样适用于其他使用双激光光束的类似设备。

Claims (10)

1.一种双光束同轴实时调整的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将由两个激光器发出的两激光光束调制为偏振方向互相垂直的两束线偏振光；

(2)将两束线偏振光通过光线折转汇合成同轴出射光束；

(3)将同轴出射光束分光出一部分作为检测光束；

(4)对检测光束进行光束筛选，使得在任何时刻只有单一激光器发出的光能量通过，并通过调整光束筛选的条件，使得两个激光器发出的光能量交替通过成为待检光束；

(5)将待检光束分光成两束，对其中一束进行位置探测检测平行偏移量，对另一束进行角度探测检测角偏移量；

(6)根据得到的平行偏移量的大小，使激光光束向平行偏移量减小的方向进行光束空间平动调整；根据得到的角偏移量的大小，使激光光束向角偏移量减小的方向进行光束空间角动调整；平动调整和角动调整同时进行；

(7)两个激光器发出的光能量交替通过光束筛选成为待检光束，重复步骤(5)和(6)，实现实时调整双光束保持同轴度。

2.如权利要求1所述的双光束同轴实时调整的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中分光出作为检测光束的部分不超过10％的光强。

3.如权利要求1所述的双光束同轴实时调整的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中采取液晶光阀周期性地调节液晶允许透过光线的偏振方向，两个激光器发出的光能量周期性交替通过成为待检光束。

4.如权利要求1所述的双光束同轴实时调整的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中平动调整的精度为平行偏移30纳米以下。

5.如权利要求1所述的双光束同轴实时调整的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中角动调整的精度为角度偏移0.1弧秒以下。

6.用于实现如权利要求1～5任一所述的双光束同轴实时调整的方法的装置，其特征在于，该装置包括：

用于发出两激光光束的第一激光器和第二激光器；

用于将所述的两激光光束调制为偏振方向互相垂直的两束线偏振光的第一半玻片和第二半玻片；

用于将两束线偏振光通过光线折转汇合成同轴出射光束的第一光线折转器件和第二光线折转器件；

用于从同轴出射光束分光出检测光束的第一主光路分光器；

用于对检测光束进行光束筛选使得在任何时刻只有单一激光器发出的光能量通过，并通过调整光束筛选的条件，使得两个激光器发出的光能量交替通过成为待检光束的光束筛选器件；

用于将待测光束分光成两束并分别检测光束的平行偏移量和角偏移量的检测单元，由用于将待测光束分光成两束的第二检测光路分光器以及分别用于接收分光后两光束的位置探测器和角度探测器组成；

用于对平行偏移量和角偏移量进行实时反馈和控制的调控单元，包括：用于将位置探测器和角度探测器的得到的实测光斑位置与预设的标定光斑进行比对得到光束的平行偏移量和角偏移量并发出反馈控制信号的控制单元，所述的控制单元与位置探测器和角度探测器相连；以及用于根据反馈信号对光束的平行偏移量和角偏移量进行实时调整的平行偏移和角偏移调整机构，平行偏移和角偏移调整机构通过作用于相应的光线折转器件来实现平行偏移量和角偏移量的实时调整。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的光束筛选器件为液晶光阀。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的平行偏移调整机构与所述的光线折转器件结合为带二维平行微调机构的光线折转器件。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的角偏移调整机构与所述的光线折转器件结合为带二维角微调机构的光线折转器件。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的平行偏移和角偏移调整机构为无机械传动的压电陶瓷。

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