CN102508365A

CN102508365A - 一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置

Info

Publication number: CN102508365A
Application number: CN2011103389338A
Authority: CN
Inventors: 匡翠方; 李旸晖; 郝翔; 刘旭; 李帅
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN102508365B

Abstract

本发明公开了一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置。该方法包括：将激光光束初级准直后，依次通过三个分光棱镜分光，得到一束工作光束和三束监控光束，三束监控光束由相应的光电感应器件接收并分别用于监控能量漂移和角向偏移、平行偏移、以及准直度漂移，根据得到的监控信息完成对激光光束各参量的实时调整。该装置包括：激光器、单模光纤、准直透镜、角锥棱镜、第一分光棱镜、平凸透镜、第一光电感应器件、第二分光棱镜、第二光电感应器件、第三分光棱镜、斜方棱镜、第三光电感应器件、计算机和纳米平移台。本发明调整精度高、调整范围大、调整过程快速准确，且不会产生相互干扰、装置结构简洁。

Description

一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置

技术领域

本发明属于精密或超精密光学测量领域，特别涉及一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置。

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，激光光束容易产生能量漂移、平行偏移、角向偏移和光束准直度下降等问题，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，在其操作手册中都严格规定在使用一定时间后，需要对激光光路进行重新的调校，以保证仪器设备在使用过程中的精度。这种做法不仅费时费力，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。

公认较好的做法是在设备使用过程中对激光光束进行监控并对产生的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(专利号为ZL200410033610.8的中国发明专利)提出了一种对单束激光的平行偏移和角向偏移进行实时监控和补偿的方法。该方法虽然部分解决了激光光束的实时调整问题，可以较好地应用于激光准直仪等设备当中，但是在专利中并未涉及能量漂移调整和光束准直度的调整(这里指光束本身的发散与汇聚调整)，且光束平行偏移与角度偏移调整时相互串扰较大。

发明内容

本发明提供了一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置，不但调整方便，而且调整精度高，其中，能量漂移调整精度优于0.2％，平行偏移调整精度优于100nm，角向偏移调整精度优于0.1弧秒，光束准直度调整精度优于1弧秒。利用该调整方法和装置得到的准直光线，可以广泛应用于荧光发射损耗显微镜(STED：Stimulated Emission DepletionMicroscopy)、荧光自相关频谱分析仪(FCS：fluorescence CorrelationSpectroscopy)等高精度观测设备当中。

一种光束漂移实时自动校正补偿的方法，包括以下步骤：

(1)将激光器发出的激光经过单模光纤和准直透镜进行初级准直；

(2)将经过初级准直的激光光束，通过角锥棱镜后，进入第一分光棱镜分解为第一透射光线和第一反射光线，所述第一反射光线为第一监控光束；所述第一透射光线通过第二分光棱镜分解为第二透射光线和第二反射光线，所述第二反射光线为第二监控光束；所述第二透射光线通过第三分光棱镜分解为第三透射光线和第三反射光线，所述第三反射光线为第三监控光束，所述第三透射光线为工作光束；所述第一监控光束、第二监控光束和第三监控光束分别由相应的光电感应器件进行接收，并分别用于监控光束能量漂移和光束角向偏移、监控光束平行偏移以及监控光束准直度漂移；所述第一透射光线、第二透射光线和第三透射光线的方向与入射到第一分光棱镜的光束的方向相同，所述第一监控光束、第二监控光束和第三监控光束的光强保持相同；

(3)根据监控得到的能量漂移量大小，调整所述激光器的输出功率，使激光光束向能量漂移减小的方向进行调整；

(4)根据监控得到的角向偏移量大小，调整所述单模光纤的输出端与所述准直透镜的相对径向位置，使激光光束向角向偏移量减小的方向进行调整；

(5)根据监控得到的平行偏移量大小，调整所述角锥棱镜的位置，使激光光束向平行偏移量减小的方向进行调整；

(6)根据监控得到的准直性变化量大小，调整所述单模光纤的输出端与所述准直透镜的相对轴向位置，使激光光束向准直性变化量减小的方向进行调整；

(7)重复进行上述(3)～(6)的调整步骤，对激光光束各参量进行高速反馈控制，使其能量漂移调整精度优于0.2％，平行偏移调整精度优于100nm，角向偏移调整精度优于0.1弧秒，光束准直度调整精度优于1弧秒。

为保证调整过程中各参数不会互相干扰，(3)～(6)的调整顺序不可以替换。

其中，用于监控光束能量漂移的方法为：将第一监控光束聚焦后垂直照射在相应的光电感应器件(与第一监控光束对应，称为第一光电感应器件)的感应面上，通过计算第一光电感应器件的出射光束的光强来监控光束能量漂移。

其中，用于监控光束角向偏移和平行偏移的方法，为匡翠方等发明人提出的名称为“一种双光束同轴实时调整的装置与方法”的中国发明专利申请(申请号为201010177761.6，公开日期为2010年10月13日)所公开的用于监控光束角向偏移和平行偏移的方法，就本发明而言，具体为：将第一监控光束聚焦后垂直照射在第一光电感应器件的感应面上，通过计算聚焦光斑相对于第一光电感应器件的感应面中心位置所产生的角向偏移量来监控光束角向偏移；将第二监控光束垂直照射在相应的光电感应器件(与第二监控光束对应，称为第二光电感应器件)的感应面上，通过计算光斑相对于第二光电感应器件的感应面中心位置所产生的平行偏移量来监控光束平行偏移。

其中，用于监控光束准直度的方法，为匡翠方等发明人提出的名称为“对光束的准直性进行检测的方法和装置”的中国发明专利申请(申请号为201110043419.1，公开日期为2011年9月14日)所公开的用于监控光束准直度的方法，就本发明而言，具体为：将第三监控光束直接或转变成线偏振光后入射到斜方棱镜上，在所述斜方棱镜内发生至少一次全反射；在所述斜方棱镜内发生全反射后的光束出射后，被相应的光电感应器件(与第三监控光束对应，称为第三光电感应器件)接收并处理得到入射光束的归一化剖面光强分布曲线，分析光斑重心位置与几何中心的重合度情况，并据此来监控光束准直度。

其中，所述第一光电感应器件为位置敏感探测器(PSD：PositionSensitive Detector)；所述第二光电感应器件可以为PSD或者四象限探测器(QD：Quadrant Detector)；所述第三光电感应器件可以为高速电荷耦合器件(CCD：Charge Couple Device)或者互补金属氧化物半导体阵列探测器(CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor)。

对于能量漂移，当使用PSD时，按如下公式进行处理：

ΔM = \frac{I_{0} - (I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}{I_{0}} \cdot M_{0}

其中ΔM为能量漂移量的大小，M₀为预先设定能量大小，I₀为当以预先设定能量输入时PSD的总输出电流，I_A、I_B、I_C、I_D分别为光束在PSD或QD四象限上的输出电流。

对于角向偏移和平行偏移，当使用PSD或者QD时，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QD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。

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

{Δθ}_{x} = \arctan (\frac{E_{x}}{f})

{Δθ}_{y} = \arctan (\frac{E_{y}}{f})

其中f为平凸透镜的焦距，Δθ_x和Δθ_y分别为入射光在x方向和y方向的角向偏移量。

对于平行偏移检测，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。

对于准直性，当使用CCD或者CMOS时，光斑重心位置在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。

本发明中，为了尽量减少光能量损失，通常所述工作光束的光强占总光强的比例较大，所述第一监控光束、第二监控光束和第三监控光束的光强之和占总光强的比例较小，比如，可选择前者不少于90％，后者不大于10％，优选所述工作光束的光强占总光强的90％，所述第一监控光束、第二监控光束和第三监控光束的光强之和占总光强的于10％。

本发明的原理如下：

从激光器中出射的激光光束，经过单模光纤初级准直后，将依次通过三个分光棱镜被分为四束。其中，沿原出射光轴的光束将作为工作光束并占据绝大部分能量，另外三束将仅占据小部分能量作为监控光束分别监控激光光束的能量漂移、平行偏移、角向偏移和光束准直度。

被第一个分光棱镜分出的光束，通过平凸透镜聚焦后垂直照射在PSD的感应面，其聚焦光斑将为监控激光光束的能量漂移和角向偏移提供信号依据。

其中，监控激光光束的能量漂移的原理是，由于PSD上输出的光电流强度与照射在其感应面上的光斑能量呈线性关系，因此，可以将PSD各象限输出的光电流进行相加得到该监控光束的光强。而由于监控光束的光强与激光光束总光强之间的比例保持恒定，因此测量监控光束的光强便可以得到激光光束总光强的大小。当实时测量光电流值与标定值之间存在差异时，即可以确认激光光束产生了能量漂移量。通过对激光器输出功率的调节，使差异减小，当测量光电流值与标定值恢复相等时，即完成了能能量漂移的补偿。

其中，监控激光角向偏移的原理是，根据几何光学原理，当入射光束的方向与平凸透镜光轴平行时，其聚焦光斑中心将与该平凸透镜的像方焦点即PSD感应面中心重合。当激光光束产生角向偏移时，PSD感应面上的光斑将与其中心位置产生偏移，偏移量的大小由如下公式确定：

{Δθ}_{x} = \arctan (\frac{E_{x}}{f})

{Δθ}_{y} = \arctan (\frac{E_{y}}{f})

其中f为角向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方向的角向偏移量，E_x和E_y分别表示x方向和y方向的偏移量。根据监控得到的角向偏移量大小，调整光纤输出端与准直透镜的相对径向位置，使激光光束向角向偏移量减小的方向进行调整，当聚焦光斑中心最终与该平凸透镜的像方焦点即PSD感应面中心重合时，即完成了对角向偏移的补偿。

被第二个分光棱镜分出的光束，将直接照射到垂直放置的PSD或QD感应面上，产生的光电流强度将作为监控激光光束的平行偏移的信号。当激光光束沿基准位置传输时，PSD或QD感应面上的光斑将位于中心位置；当激光光束产生平行偏移时，光斑将相应偏移，其偏移量的大小与平行偏移量的大小相等。由于角锥棱镜的入射光线与出射光线仅产生横向侧移但方向相等，因此调节角锥棱镜位置仅会使激光光束产生平行偏移。通过调节角锥棱镜位置，使PSD或QD感应面上的光斑重新与中心位置重合，即完成了调节过程。

被第三个分光棱镜分出的光束，直接或在经过起偏器被转换成线偏振光(优选转换成P方向线偏振光，即平行偏振光)后，通过斜方棱镜上发生全反射折转光路，照射在CCD或者CMOS上，其光斑的重心位置即提供了监控激光光束准直度的信号。其基本原理是：

当激光光束为准直光束时，监控光束和工作光束亦为准直光束。监控光束直接或者经过起偏器后入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，应呈中心对称的高斯分布。

当激光光束为会聚光束时，监控光束和工作光束亦为会聚光束，此时光纤出射端面位于准直透镜的一倍焦距以外。监控光束直接或者经过起偏器后入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，光斑重心向左偏移。根据光斑重心位置，调节光纤出射端面与准直透镜相对位置使其靠近。当光斑重新呈中心对称的高斯分布时即完成了调节过程。

当激光光束为发散光束时，监控光束和工作光束亦为发散光束，此时光纤出射端面位于准直透镜的一倍焦距以内。监控光束直接或者经过起偏器后入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，最高光强向右偏移。根据光斑重心位置，调节光纤出射端面与准直透镜相对位置相互远离。当光斑重新呈中心对称的高斯分布时即完成了调节过程。

整个调节过程实时监控并不断循环进行，即完成了对光束标称的实时自动校正补偿。

本发明还提供了一种光束漂移实时自动校正补偿的装置，包括：

激光器，用于发出激光光束；

单模光纤和准直透镜，用于对所述激光光束进行初级准直；

角锥棱镜，用于对所述初级准直后的光束进行光路折转并产生光束平行偏移用于光束平行偏移调整；

第一分光棱镜，用于将经所述光路折转后的光束分光为第一透射光线和第一反射光线，所述第一反射光线为第一监控光束；

平凸透镜，用于将所述第一监控光束聚焦得到聚焦光斑；

第一光电感应器件，用于根据接收的聚焦光斑的信号监控激光光束的能量漂移和角向偏移；

第二分光棱镜，用于将所述第一透射光线分光为第二透射光线和第二反射光线，所述第二反射光线为第二监控光束；

第二光电感应器件，用于根据接收的第二监控光束的信号监控激光光束的平行偏移；

第三分光棱镜，用于将所述第二透射光线分光为第三透射光线和第三反射光线，所述第三反射光线为第三监控光束，所述第三透射光线为工作光束；所述第三透射光线的方向与所述第一透射光线的方向、第二透射光线的方向、以及入射到第一分光棱镜的光束的方向相同，所述第三监控光束的光强与所述第一监控光束的光强、第二监控光束的光强保持相同；

斜方棱镜，用于对入射的第三监控光束产生全反射并折转光路；

第三光电感应器件，用于接收由所述斜方棱镜出射的光线并根据接收信号监控激光光束的准直度；

计算机，用于接收第一、第二和第三光电感应器件反馈的监控信息并进行分析处理后发出调整控制信号；

纳米平移台，用于根据所述计算机发出的调整控制信号来调整单模光纤出射端面与准直透镜的相对位置；所述纳米平移台与单模光纤出射端面紧固连接，或者所述的纳米平移台与准直透镜紧固连接。

优选的技术方案中，所述的光束漂移实时自动校正补偿的装置还包括起偏器，用于将所述第三监控光束转变为线偏振光，所述的线偏振光再依次进入所述斜方棱镜和第三光电感应器件。

优选的技术方案中，所述的准直透镜为正透镜或正透镜组。

优选的技术方案中，所述斜方棱镜的入射面的尺寸大于所述第三监控光束或所述线振偏光(即入射到所述斜方棱镜的光束)的直径，使得入射到所述斜方棱镜的光束通过斜方棱镜时全部光束均能进入发生全反射，提高测量质量和精度。

优选的技术方案中，所述的第一光电感应器件为位置敏感探测器(PSD)。

优选的技术方案中，所述的第二光电感应器件为位置敏感探测器(PSD)或者四象限探测器(QD)。

优选的技术方案中，所述的第三光电感应器件为高速电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体阵列探测器(CMOS)。

优选的技术方案中，所述纳米平移台与单模光纤出射端面紧固连接，由于准直透镜自身质量大于单模光纤出射端面，采取优选的方案，可以实现快速、准确反馈。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)调整精度高，能量漂移调整精度优于0.2％，平行偏移调整精度优于100nm，角向偏移调整精度优于0.1弧秒，光束准直度调整精度优于1弧秒；

(2)调整范围大，涉及光束可能产生漂移的全部四个参数；

(3)调整过程快速准确，且不会产生相互干扰；

(4)装置结构简洁。

附图说明

图1为本发明光束漂移实时自动校正补偿装置示意图；

图2为本发明中角向偏移调整的原理示意图；

图3为本发明中水平偏移调整的原理示意图；

图4为本发明中采用图1的装置时激光光束准直、汇聚和发散时归一化剖面光强分布曲线；

图5为本发明中入射到斜方棱镜的光束为S偏振光(垂直偏振光)和P偏振光(平行偏振光)在不同入射角度时的归一化反射率曲线；

图6为本发明中准直度调整的原理示意图。

图中：

激光器1，单模光纤2，准直透镜3，起偏器4，角锥棱镜5，第一分光棱镜6，平凸透镜7，第一光电感应器件8，第二分光棱镜9，第二光电感应器件10，第三分光棱镜11，斜方棱镜12，第三光电感应器件13，计算机14，纳米平移台15，起偏器工作光束R1，第一监控光束R2，第二监控光束R3，第三监控光束R4。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

一种光束漂移实时自动校正补偿装置，如图1所示，包括：

激光器1，单模光纤2，准直透镜3，起偏器4，角锥棱镜5，第一分光棱镜6，平凸透镜7，第一光电感应器件8，第二分光棱镜9，第二光电感应器件10，第三分光棱镜11，斜方棱镜12，第三光电感应器件13，计算机14和纳米平移台15，其中，单模光纤2的出射端面位于准直透镜3的物方焦点附近，纳米平移台15与单模光纤2出射端面紧固连接，可通过纳米平移台15微调单模光纤2出射端面与准直透镜3的相对位置关系。准直透镜3为单个正透镜或者正透镜组。

采用图1所示的装置进行光束漂移实时自动校正补偿方法如下：

从激光器1发出的激光光束，首先被导入单模光纤2，从单模光纤2出射的激光光束，经过准直透镜3完成初级准直。经过初级准直的激光光束再通过角锥棱镜5折转180度。

从角锥棱镜5出射的激光光束，依次继续通过第一分光棱镜6、第二分光棱镜9和第三分光棱镜11。每通过一个分光棱镜，都有强度相同的能量被反射，且每次被反射光的光能量占总光能量的比例约为3.3％，各反射光束分别成为第一监控光束R2，第二监控光束R3，第三监控光束R4，最终不改变方向透射的光能量占入射激光光束总能量的约90％，为后续系统的工作光束R1。

被第一分光棱镜6反射的部分光能量成为第一监控光束R2，第一监控光束R2进一步通过平凸透镜7透镜聚焦后垂直照射在第一光电感应器件8的感应面上，光电感应器件8为位置敏感探测器(PSD：PositionSensitive Detector)。第一光电感应器件8根据所接收的聚焦光斑的信号监控激光光束的能量漂移和角向偏移，监控原理如下：

由于第一光电感应器件8上输出的光电流强度与照射在其感应面上的光斑能量呈线性关系，因此，可以将第一光电感应器件8各输出端输出的光电流进行相加得到第一监控光束的光强。而由于第一监控光束的光强与激光光束总光强之间的比例保持恒定，因此测量第一监控光束的光强便可以得到激光光束总光强的大小。当实时测量光电流值与标定值之间存在差异时，即可以确认激光光束产生了能量漂移量。可以由如下公式确定：

ΔM = \frac{I_{0} - (I_{A} + I_{B} + I_{C} + I_{D})}{I_{0}} \cdot M_{0}

其中ΔM为能量漂移量的大小，M₀为预先设定能量大小，I₀为当以预先设定能量输入时第一光电感应器件8的总输出电流，I_A、I_B、I_C、I_D分别为光束在第一光电感应器件8各输出端上的输出电流。由第一光电感应器件8监控得到的能量漂移信号被传送给计算机14，经过计算机14处理后转变为相应的控制信号传递给激光器1，调节激光器1的输出功率，完成对激光光束能量漂移的校正。

第一光电感应器件8监控激光光束的角向偏移的原理与匡翠方等发明人提出的名称为“一种双光束同轴实时调整的装置与方法”的中国专利申请(申请号为201010177761.6，公开日期为2010年10月13日)所公开的用于监控光束角向偏移的原理相同，在此做简要说明：当不存在角向偏移时，聚焦光斑位于第一光电感应器件8感应面中心位置；而当存在角向偏移时，聚焦光斑相对于第一光电感应器件8感应面中心位置会产生偏移。以第一光电感应器件8感应面中心位置为原点建立坐标系，聚焦光斑在感应面上的位置为：

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分别为光束在第一光电感应器件8各输出端上的输出电流，E_x和E_y分别表示x方向和y方向的偏移量。而偏移量的大小与角向偏移间存在的关系可以由如下公式确定：

{Δθ}_{x} = \arctan (\frac{E_{x}}{f})

{Δθ}_{y} = \arctan (\frac{E_{y}}{f})

其中f为平凸透镜7的焦距，Δθ_x和Δθ_y分别为入射光在x方向和y方向的角向偏移量。根据计算得到的角向偏移量可以得到单模光纤2出射端面的相对移动量为

x＝f₀·Δθ_x

y＝f₀·Δθ_y

其中x和y分别为出射端面在x方向和y方向的移动量。因此，将第一光电感应器件8得到的电流信号传递给计算机14，经过计算机14处理后转变为相应的控制信号，并将该控制信号传递给纳米平移台15使得其产生径向移动，移动量由上述公式确定，当单模光纤2的出射端面重新回到准直透镜3物方焦点位置时，即完成了对激光光束角向偏移的校正，如图2所示。

被第二分光棱镜9反射的部分光能量成为第二监控光束R3，第二监控光束R3直接垂直照射在第二光电感应器件10的感应面上。光电感应器件10为位置敏感探测器(PSD：Position Sensitive Detector)或者四象限探测器(QD：Quadrant Detector)。

第二光电感应器件10根据所接收的第二监控光束的信号监控激光光束的平行偏移，原理与匡翠方等发明人提出的名称为“一种双光束同轴实时调整的装置与方法”的中国专利申请(申请号为CN 201010177761.6，公开日期为2010年10月13日)所公开的用于监控光束平行偏移的原理相同，在此做简要说明：如前所述，当不存在平行偏移时，光斑位于第二光电感应器件10感应面中心位置；当存在平行偏移时，偏移量的大小即由光斑在第二光电感应器件10感应面上的位置直接确定，即

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分别为光束在第二光电感应器件10四象限上的输出电流，E_x和E_y分别表示x方向和y方向的偏移量。因此，将第二光电感应器件10得到的电流信号传递给计算机14，经过计算机14处理后转变为相应的控制信号传递给角锥棱镜5，移动角锥棱镜5至合适位置，即完成了对激光光束平行偏移的校正，移动量的大小等于由光斑在x方向和y方向的偏移量的1/2，如图3所示。由于实际移动量小于真实的偏移量，因此实现了对于漂移的快速校正。

被第三分光棱镜11反射的部分光能量成为第三监控光束R4，第三监控光束R4首先过起偏器4被转换成P方向线偏振光(即平行偏振光)，随后导入斜方棱镜12，经过至少一次全反射后照射在第三光电感应器件13的感应面上。光电感应器件13为高速电荷耦合器件(CCD：Charge CoupleDevice)或者互补金属氧化物半导体阵列探测器(CMOS：ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)。

第三光电感应器件13用来监控激光光束的准直度，原理与匡翠方等发明人提出的名称为“对光束的准直性进行检测的方法和装置”的中国专利申请(申请号为CN 201110043419.1，公开日期为2011年9月14日)所公开的用于监控光束准直度的原理相同，在此做简要说明：

当单模光纤2出射端面位于准直透镜3的物方焦点处时，经准直透镜3后的光束均平行于准直透镜的光轴，即为准直光束。此时，第三监控光束R4和工作光束R1同为准直光束。第三监控光束R4在经过起偏器4被转换成P方向线偏振光后，入射到斜方棱镜12上，在斜方棱镜12的内部发生至少一次全反射，出射光束被第三光电感应器件13接收，光强信号转化为电信号，此时第三光电感应器件13感应面上光斑的归一化剖面光强分布曲线，呈高斯分布，如图4中曲线(a)所示。

当单模光纤2出射端面位于准直透镜3的一倍焦距以外处，经准直透镜3后的光束为会聚光束。此时，第三监控光束R4和工作光束R1同为会聚光束。第三监控光束R4在经过起偏器4被转换成P方向线偏振光后，入射到斜方棱镜12上，在斜方棱镜12的内部发生至少一次全反射，出射光束被第三光电感应器件13接收，光强信号转化为电信号，此时第三光电感应器件13感应面上光斑的归一化剖面光强分布曲线中最高光强向左偏移，如图4中曲线(b)所示。

当单模光纤2出射端面位于准直透镜3的一倍焦距以内处，经准直透镜后的光束为发散光束。此时，第三监控光束R4和工作光束R1同为准直光束。第三监控光束R4在经过起偏器4被转换成P方向线偏振光后，入射到斜方棱镜12上，在斜方棱镜12的内部发生至少一次全反射，出射光束被第三光电感应器件13接收，光强信号转化为电信号，此时第三光电感应器件13感应面上光斑的归一化剖面光强分布曲线中最高光强向右偏移，如图4中曲线(c)所示。

当光线入射到斜方棱镜12上发生反射时，反射率随入射角度的变化如图5所示，在发生全反射的临界角(41.8°)附近反射率有急剧变化。而且，入射光线为P方向线偏振光(平行偏振光)，在发生全反射的临界角(41.8°)附近反射率的变化更加急剧，这意味着，采用P方向线偏振光(平行偏振光)作为入射光线时，系统灵敏性更好。

因此，先调整斜方棱镜12的位置，使得入射到斜方棱镜12上的P方向线偏振光的入射角在临界角(41.8°)附近，让其反射光不是100％的反射，此时有部分透射光。这样当单模光纤2出射端面偏离准直透镜3的一倍焦距位置处，经准直透镜3出射后的光束变成发散或者汇聚光束，入射到斜方棱镜12上发生全反射时造成中心光线两侧的反射率不一样。这样当光电探测器接收到光束后，根据探测器的驱动和显示单元中显示的光束的归一化剖面光强分布曲线得到光斑重心位置，可以判断第三监控光束R4是准直，还是汇聚或者发散。当发生汇聚或者发散时，根据第三光电感应器件13传递给计算机14的信号，经过计算机14处理后转变为相应的控制信号传递给纳米平移台15，纳米平移台15带动单模光纤2的出射端面重新回移至准直透镜3的物方焦点位置，如图6所示。即完成了对对激光光束准直度的调整。

为提高对激光光束准直度调整反馈信号的精度，可以将斜方棱镜12内光路延长，以使激光光束在其内部发生多次全反射，扩大汇聚或者发散光束与准直光束之间的差异。

在实际操作中，上述调整步骤重复进行，对激光光束各参量进行高速反馈监控与调整，即可以完成对于激光束各类漂移的实时自动校正补偿。但是，为保证各调整参数反馈时不相互影响，每个调整周期内，调整参数的顺序不能改变，即应保持对能量漂移、角向偏移、平行偏移、准直度的自动校正补偿顺序依次进行。

Claims

1.一种光束漂移实时自动校正补偿的方法，包括以下步骤：

(7)依次重复进行上述(3)～(6)的调整步骤，直至激光光束的能量漂移调整精度优于0.2％，平行偏移调整精度优于100nm，角向偏移调整精度优于0.1弧秒，光束准直度调整精度优于1弧秒。

2.如权利要求1所述的光束漂移实时自动校正补偿的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于监控光束能量漂移的方法为：将第一监控光束聚焦后垂直照射在第一光电感应器件的感应面上，通过计算第一光电感应器件的出射光束的光强来监控光束能量漂移。

3.如权利要求1所述的光束漂移实时自动校正补偿的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于监控光束角向偏移的方法为：将第一监控光束聚焦后垂直照射在第一光电感应器件的感应面上，通过计算聚焦光斑相对于第一光电感应器件的感应面中心位置所产生的角向偏移量来监控光束角向偏移。

4.如权利要求1所述的光束漂移实时自动校正补偿的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于监控光束平行偏移的方法为：将第二监控光束垂直照射在第二光电感应器件的感应面上，通过计算光斑相对于第二光电感应器件的感应面中心位置所产生的平行偏移量来监控光束平行偏移。

5.如权利要求1所述的光束漂移实时自动校正补偿的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于监控光束准直度的方法为：将第三监控光束直接或转变成线偏振光后入射到斜方棱镜上，在所述斜方棱镜内发生至少一次全反射；在所述斜方棱镜内发生全反射后的光束出射后，被第三光电感应器件接收并处理得到入射光束的归一化剖面光强分布曲线，并据此来监控光束准直度。

6.一种光束漂移实时自动校正补偿的装置，包括：

激光器，用于发出激光光束；

单模光纤和准直透镜，用于对所述激光光束进行初级准直；

平凸透镜，用于将所述第一监控光束聚焦得到聚焦光斑；

7.如权利要求6所述的光束漂移实时自动校正补偿的装置，其特征在于：还包括起偏器，用于将所述第三监控光束转变为线偏振光，所述的线偏振光再依次进入所述斜方棱镜和第三光电感应器件。

8.如权利要求6或7所述的光束漂移实时自动校正补偿的装置，其特征在于：所述的第一光电感应器件为位置敏感探测器。

9.如权利要求6或7所述的光束漂移实时自动校正补偿的装置，其特征在于：所述的第二光电感应器件为位置敏感探测器或者四象限探测器。

10.如权利要求6或7所述的光束漂移实时自动校正补偿的装置，其特征在于：所述的第三光电感应器件为高速电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体阵列探测器。