CN102226689A

CN102226689A - 对射光束同轴误差的测量方法

Info

Publication number: CN102226689A
Application number: CN 201110063651
Authority: CN
Inventors: 吕德胜; 赵剑波; 屈求智; 汪斌; 刘亮; 王育竹
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102226689B

Abstract

一种对射光束同轴误差的测量方法，该方法通过一个分束棱镜、二维平移调整器、角反射器、光强探测器和观测屏，可以测量两束对射重合光的重合误差，本发明方法具有设备简单、容易观测，测量方便，对射光束的同轴调整快捷方便、准确可靠的特点。

Description

对射光束同轴误差的测量方法

技术领域

本发明属于光学系统，特别是一种对射光束同轴误差的测量装置及其测量方法。

背景技术

在光学系统中，经常会要求把两束对射的平行光(激光)重合到一起互相耦合进光学或电子元件，例如在半导体激光器注入锁定实验中，需要把注入激光束按照输出激光方向反向耦合进几十微米的半导体增益介质中；在有光纤输出的光学平台上，把自由空间激光耦合到光纤的过程中，需要把耦合光与对射的参考光调节重合。在这样类似的系统中，两束激光重合程度包括两束光的光轴重合与方向重合(夹角)，往往系统中光束方向重合的要求比光轴重合更重要而且更难做到。

传统调整两束激光重合，一般是在两个对射的光源之间插入两面反射镜，通过两面反射镜的二维角度调节实现光束重合。但是在对反射镜做二维角度调整过程中，需要不断监测两束激光的重合程度，通常的做法是在反射镜中间的光路中插入观测屏，如果在光路中的不同位置观测屏上看到的两个光斑都重合，则认为两束激光重合。但是这种方法存在观测剩余误差，即人眼能够分辨的重合度一般在0.2mm左右，假设此误差成立，那么两束光之间的夹角误差与两次插入观测屏之间距离相关，距离越大，两束光之间的夹角误差就越小。然而，实际系统中，由于整体光路尺寸限制，两次插入观测屏之间的距离往往约几十厘米，在光学系统向着小型化和集成化发展的过程中，这个距离很多情况下已经小于10厘米，这样给调节过程中的判断带来很大困难，使得剩余夹角误差越来越大，往往不能满足一些对准精度要求较高的系统如光纤耦合和注入锁定等的精度需求。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种对射光束同轴误差的测量方法，该方法应可以测量两束对射重合光的重合误差，具有设备简单、容易观测、测量方便、对射光束的同轴调整快捷方便和准确可靠的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种对射光束同轴误差的测量方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块偏振分束棱镜，使该偏振分束棱镜的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的偏振分束棱镜的第二光束的反射光方向依次设置四分之一波片、角反射器和光强探测器，该角反射器置于二维平移调整架上并且该角反射器的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器的直角顶指向所述的光强探测器；在所述的偏振分束棱镜的第一光束的反射光方向设置一块观测屏；

③调整所述的二维平移调整架，通过光强探测器观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器的直角顶的漏光，然后调整所述的四分之一波片，使经角反射器的直角顶反回的光束透过所述的偏振分束棱镜；

④所述的第一光束经所述的偏振分束棱镜反射后在所述的观测屏上形成第一光斑，第二光束经所述的偏振分束棱镜反射后经所述的四分之一波片、角反射器后返回，再经所述的四分之一波片，透过偏振分束棱镜在所述的观测屏上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑤沿光路方向移动所述的观测屏的距离为L，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₂；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块分束棱镜，使该分束棱镜的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的分束棱镜的第二光束的反射光方向依次设置角反射器和光强探测器，该角反射器置于二维平移调整架上并且该角反射器的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器的直角顶指向所述的光强探测器；在所述的分束棱镜的第一光束的反射光方向设置观测屏；

③调整所述的二维平移调整架，通过光强探测器观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器的直角顶的漏光，经角反射器的直角顶反回的光束透过所述的分束棱镜(5)；

④所述的第一光束经所述的分束棱镜反射后在所述的观测屏上形成第一光斑，第二光束经所述的分束棱镜反射后经所述的角反射器后返回，透过分束棱镜(5)在所述的观测屏上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

本发明的技术效果如下：

一种对射光束同轴误差的测量方法根据技术背景所述，如果想要获得更小误差的两个光束的重合，在人眼分辨能力不变的情况下，就是拉长两个反射镜的距离使得两次插入观测屏的距离增加。在反射镜位置也固定的时，可以在两个反射镜中间插一个偏振分束棱镜，把两束对射光经反射后延长，这样经棱镜反射后的两束激光可以自由延长光程，不受原来光学系统中元件约束，而且两束反射光之间的夹角与原来两束光夹角相同。但是由于原来两束光方向相反，经过反射后除了在棱镜反射点以外，没有可能有第二个交点，无法判断是否重合。

从实际情况看，本方案关键部件——角反射器的加工精度将决定本方法的技术效果。在现有加工条件或光学器材市场上，我们可以容易得到角反射误差小于1×10^-4弧度的角反射器，其他误差可以忽略，这样在一米远处，系统误差为0.1毫米，从而可以知道我们利用本发明装置可以把两束光的夹角调小至1×10^-4弧度左右，这个结果一般能满足实验要求。

附图说明

图1是本发明对射光束同轴误差的测量方法实施例1的光路图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明对射光束同轴误差的测量方法实施例1的光路图，本发明对射光束同轴误差的测量方法，包括下列步骤：

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块偏振分束棱镜5，使该偏振分束棱镜5的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的偏振分束棱镜5的第二光束的反射光方向依次设置四分之一波片4、角反射器2和光强探测器1，该角反射器2置于二维平移调整架3上并且该角反射器2的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器2的直角顶指向所述的光强探测器1；在所述的偏振分束棱镜5的第一光束的反射光方向设置观测屏6；

③调整所述的二维平移调整架3，通过光强探测器1观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器2的角锥(直角顶)的漏光，然后调整所述的四分之一波片4，使经角反射器2的直角顶反回的光束透过所述的偏振分束棱镜5；

④所述的第一光束经所述的偏振分束棱镜5反射后在所述的观测屏6上形成第一光斑，第二光束经所述的偏振分束棱镜5反射后经所述的四分之一波片4、角反射器2后返回，再经所述的四分之一波片4，透过偏振分束棱镜5在所述的观测屏6上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑤沿光路方向移动所述的观测屏6的距离为L，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₂；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

反射光经过角反射器反射后，理想情况下，反射光方向与原来入射光平行但方向相反，如果入射光入射到角反射器的角锥(直角顶)时，则反射光沿原路返回。

本发明方法中，首先要调节二维平移调整架3，从光强探测器1读取角反射器角锥漏出的光强，当光强探测器读数最大，说明入射光刚好入射到角锥的尖顶；然后调整四分之一波片4，使得原来在偏振分束棱镜上反射的激光的偏振面旋转90度，再次经过偏振分束棱镜5后变为透射光。这样向前出射的两束激光之间的夹角和原来水平对射的光束的夹角相同，在向前出射的两束激光光路的不同位置插入观测屏，根据两次观测屏上两个光斑之间的距离d₁和d₂和两次观测屏之间的距离为L，利用下列公式可以计算出两束激光之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

实施例2，对于非偏振光而言，则测量光路更简单，只需将偏振分束棱镜改为分束棱镜，同时去掉四分之一波片。

该对射光束同轴误差的测量方法，包括下列步骤：

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块分束棱镜5，使该分束棱镜5的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的分束棱镜5的第二光束的反射光方向依次设置角反射器2和光强探测器1，该角反射器2置于二维平移调整架3上并且该角反射器2的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器2的直角顶指向所述的光强探测器1；在所述的分束棱镜5的第一光束的反射光方向设置观测屏6；

③调整所述的二维平移调整架3，通过光强探测器1观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器2的直角顶的漏光，经角反射器2的直角顶反回的光束透过所述的分束棱镜5；

④所述的第一光束经所述的分束棱镜5反射后在所述的观测屏6上形成第一光斑，第二光束经所述的分束棱镜5反射后经所述的角反射器2后返回，透过分束棱镜5在所述的观测屏6上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

实验表明：本发明方法可以测量两束对射重合光的重合误差，具有设备简单、容易观测、测量方便、对射光束的同轴调整快捷方便和准确可靠的特点。。

Claims

1.一种对射光束同轴误差的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块偏振分束棱镜(5)，使该偏振分束棱镜(5)的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的偏振分束棱镜(5)的第二光束的反射光方向依次设置四分之一波片(4)、角反射器(2)和光强探测器(1)，该角反射器(2)置于二维平移调整架(3)上并且该角反射器(2)的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器(2)的直角顶指向所述的光强探测器(1)；在所述的偏振分束棱镜(5)的第一光束的反射光方向设置观测屏(6)；

③调整所述的二维平移调整架(3)，通过光强探测器(1)观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器(2)的直角顶的漏光，然后调整所述的四分之一波片(4)，使经角反射器(2)的直角顶反回的光束透过所述的偏振分束棱镜(5)；

④所述的第一光束经所述的偏振分束棱镜(5)反射后在所述的观测屏(6)上形成第一光斑，第二光束经所述的偏振分束棱镜(5)反射后经所述的四分之一波片(4)、角反射器(2)后返回，再经所述的四分之一波片(4)，透过偏振分束棱镜(5)在所述的观测屏(6)上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑤沿光路方向移动所述的观测屏(6)的距离为L，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₂；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。

2.一种对射光束同轴误差的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①待测的两对射光束分别称为第一光束和第二光束，在所述的两对射光束的光路中插入一块分束棱镜(5)，使该分束棱镜(5)的分光面与所述的光束成45°；

②在所述的分束棱镜(5)的第二光束的反射光方向依次设置角反射器(2)和光强探测器(1)，该角反射器(2)置于二维平移调整架(3)上并且该角反射器(2)的斜边与所述的反射光束垂直，而该角反射器(2)的直角顶指向所述的光强探测器(1)；在所述的分束棱镜(5)的第一光束的反射光方向设置观测屏(6)；

③调整所述的二维平移调整架(3)，通过光强探测器(1)观察，使之观察到所述的第二反射光经所述的角反射器(2)的直角顶的漏光，经角反射器(2)的直角顶反回的光束透过所述的分束棱镜(5)；

④所述的第一光束经所述的分束棱镜(5)反射后在所述的观测屏(6)上形成第一光斑，第二光束经所述的分束棱镜(5)反射后经所述的角反射器(2)后返回，透过分束棱镜(5)在所述的观测屏(6)上形成第二光斑，测量第一光斑和第二光斑中心的距离d₁；

⑥然后利用下列公式可以计算出两对射光束之间的夹角为：

α＝arcsin[(d₁-d₂)/L]，

当夹角很小时，α≈(d₁-d₂)/L。