CN109297585B - 一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，本发明包括偏振分束器A、偏振分束器B，偏振分束器A被布置为使一束激光分成偏振方向互相垂直的两束光，偏振分束器B被布置为将偏振分束器A分成的两束光进行重合，偏振分束器A固定设置，所述偏振分束器B连接设置在纳米压电促动器上，以便使所述偏振分束器B在所述纳米压电促动器的驱动下实现三维运动，进而使得所述偏振分束器B发生偏转，从而实现两束光发生一定的偏移，使锁相放大器接收到的Vin信号产生变化，对采集到的信号进行数值拟合，即可得到光斑的聚焦直径。本发明不仅操作简单，而且易于同类型的光学系统进行复合，提高了现有光学系统的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统及实验方法，属于光学技术领域。
背景技术
激光，尽管诞生仅仅几十年的历史，却在机械加工、医学工程、航空航天、军事国防、科学研究等领域实现了广泛的应用，应用于实践的激光器种类也在不断地丰富和发展。激光的应用发展，其基础便是对激光的各个性能参数精确的表征。激光光斑聚焦直径，是反映激光器设计性能的一个重要参数，它决定了激光的功率密度和加工范围。因此，精确地表征激光光斑的聚焦直径，具有十分重要的意义。同时，在科学研究中，基于飞秒激光的超快测量技术（如时间分辨的布里渊散射、时域热反射等）飞速发展，不断推动着人们加深对更小、更快尺度下发生的物理现象的认识。在这些研究中，人们也需要对实验的条件拥有系统的认知，需要对激光光斑的聚焦直径进行精确的表征。
由于激光是高斯光束，激光聚焦形成的光斑大小不能简单地用几何方法测量。传统的测量激光聚焦直径的方法有针孔法、狭缝法、Ronchi等光栅法、Radon分析法、Talbot效应法、刀口法等。以刀口法为例，采用平直的刀口对激光进行截断，通过记录特定透过率时刻刀口移动的坐标，即可得到激光的聚焦直径。这些方法都已十分成熟而且操作较为简便，但是测量往往需要独立的实验系统，难于其他光学系统复合。
常见的超快测量系统，把激光分成两部分，即泵浦光和探测光。泵浦光对样品表面进行激发，探测光则感受到这一激发，并在其反射信号中得以体现。为了便于保证稳定而可靠的激光反射信号，通常样品表面都蒸镀了一层厚度在数十至一百纳米的金属薄膜。多数情况下，利用锁相放大器采集信号，可以分为同相信号（Vin）和反相信号（Vout）。其中，Vin对两束激光的重合程度十分敏感，其关系为
，其中x0为两束激光的中心距，ω0为光斑的直径，通常为整个光斑的1/e。
具体的，图1为现有技术，其是一种泵浦-探测光学测量系统的光路图，从同一个激光器发射的激光经过第一个偏振分束器（PBS）分成两束，并在第二个PBS处汇合。图中的pump beam为泵浦光，它先到达样品表面，并对样品产生激发；probe beam为探测光，它在一定的时间延迟后到达样品的表面，感受到样品表面的变化，并被反射和接受。反射的信号就和样品的激发情况以及两束光之间的时间延迟有关，时间延迟短，激发还没有消退，信号就强，延迟时间长，激发经过了足够的时间消退，信号就弱。通过延迟台（delay stage），可以控制两束光产生连续的延迟时间。在这一系统中，通过改变两束光的时间延迟，采集不同时间延迟下的信号，可以得到样品的物理性质。在这一测量中，需要使两束光在汇合后保持重合，这样信号强度最好。
但是，这种系统的功能比较单一，难以实现对光斑直径的准确测量。
本发明针对以上问题，提供一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，以便于使测量光斑直径与其他光学系统功能相复合。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其包括偏振分束器A、偏振分束器B，所述偏振分束器A被布置为使一束激光分成偏振方向互相垂直的两束光，偏振分束器B被布置为将所述偏振分束器A分成的两束光进行重合，其特征在于，偏振分束器A固定设置，所述偏振分束器B连接设置在纳米压电促动器上，以便使所述偏振分束器B在所述纳米压电促动器的驱动下实现三维运动，进而使得所述偏振分束器B发生偏转，从而实现两束光发生一定的偏移，使锁相放大器接收到的Vin信号产生变化，对采集到的信号进行数值拟合，即可得到光斑的聚焦直径。
进一步，作为优选，所述偏振分束器B安装于万向光学调整架上，万向光学调整架的下方与两个纳米压电促动器相连，从而使偏振分束器B能够在三维空间内偏转。
进一步，作为优选，偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，即可使两束光发生与之对应的偏移。
进一步，作为优选，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器、光电探测器和聚焦物镜，其中，所述偏振分束器A、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器的镜面角度均平行设置，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为光束一和光束二，所述光束一经过所述第一反射镜发射至所述分束器，所述光束二经过第二反射镜发射至所述第三发射镜，且光束二经过第三发射镜发射至所述偏振分束器B，所述分束器、光电探测器、偏振分束器B和聚焦物镜处于同一水平直线上，且所述分束器位于所述所述光电探测器与所述偏振分束器B之间，所述聚焦物镜位于所述偏振分束器B与所述聚焦物镜之间，样品位于所述聚焦物镜的光束传输方向一侧。
进一步，作为优选，还包括延迟台，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为对样品产生激发的泵浦光和感受样品表面的变化并被反射和接受的探测光，所述延迟台负责控制泵浦光和探测光产生连续的延迟时间。
进一步，作为优选，在测量光斑直径时，所述延迟台不工作；在做除光斑直径外的测量时，压电促动器不工作。
进一步，作为优选，水平方向内的光斑偏移与纳米促动器运行的步数呈正比例关系，通过设置每次测量间纳米促动器运行的步数即可控制每次测量间的光斑偏移。
进一步，作为优选，在测量时，通过设定每次采样之间纳米促动器的前进步数，从而得到特定的光斑偏移，通过Labview控制策略采集并记录探测光反射信号随激光偏移距离的变化。
进一步，作为优选，还包括对信号进行采集的锁相放大器，锁相放大器的同相信号Vin，同相信号Vin与两束光的偏移存在以下拟合关系：
其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅。
进一步，本发明提供了一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统的实验方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（1）将各个器件安装调试好，使偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，以便使两束光发生与之对应的偏移；
（2）测量：利用Labview控制策略编程，实现对光斑偏移的连续控制和对应的数据采集，通过校准获得不同聚焦情况下单位光斑偏移对应的纳米促动器步数，纳米促动器步数的单位为steps/μm，通过设置每次测量间的步数便可控制每次测量间的光斑偏移，为了保证采集数据的准确性，每一个位置都进行多次采样取其平均值的方法，最大程度消除测量的误差；
（3）开始测量后，促动器先推动偏振分束器B进行一个预先的大偏转，使两束光完全不重合，之后进行采样，采样5次之后输出一个数值，之后纳米促动器按照设置步数运转，使两束光的中心接近0.5μm，采样5次后输出一个数值，这样循环下去，两束光会经历互相重合又互相偏移的过程，这样，在不同偏移下的信号强度就都能采集到了；
（4）拟合：将采集得到的信号进行拟合（拟合公式为
，其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅；
通过origin拟合，基于最小二乘法的原理，可以同时获得公式中的未知参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明不仅操作简单，而且易于同类型的光学系统进行复合，提高了现有光学系统的集成度。与传统的方法相比，这一方法同样操作简单，且具有很高的精度。更加重要的是，这一系统易于与同类的光学系统相复合，大大丰富了光学系统的功能与集成度。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图；
图2是本发明一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统的结构示意图；
图3为本发明测量4倍聚焦物镜下激光聚焦直径的结果图
图4为本发明测量10倍聚焦物镜下激光聚焦直径的结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，本发明提供一种技术方案：一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其包括偏振分束器A1、偏振分束器B2，所述偏振分束器A1被布置为使一束激光分成偏振方向互相垂直的两束光，偏振分束器B2被布置为将所述偏振分束器A分成的两束光进行重合，其特征在于，偏振分束器A1固定设置，所述偏振分束器B2连接设置在纳米压电促动器上，以便使所述偏振分束器B2在所述纳米压电促动器的驱动下实现三维运动，进而使得所述偏振分束器B2发生偏转，从而实现两束光发生一定的偏移，使锁相放大器接收到的Vin信号产生变化，对采集到的信号进行数值拟合，即可得到光斑的聚焦直径。
图2为本发明的系统光路图。同一束激光经过偏振分束器A1，分成了偏振方向相互正交的两束光，即传统泵浦-探测系统中的泵浦光与探测光，两束光在偏振分束器B2处汇合，并同时到达样品表面，在常规的泵浦-探测系统中，两束光通常具有可变的光程差，在这里本发明为了使信号强度最大选择了两束光光程差为0。这一点也说明本发明的系统可以复合于常规的泵浦-探测光学系统。
具体的如图2，本发明的光路还包括第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、分束器7、光电探测器6和聚焦物镜8，其中，所述偏振分束器A1、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、分束器7的镜面角度均平行设置，所述偏振分束器A1分成偏振方向互相垂直的两束光分别为光束一和光束二，所述光束一经过所述第一反射镜发射至所述分束器，所述光束二经过第二反射镜4发射至所述第三发射镜5，且光束二经过第三发射镜发射至所述偏振分束器B2，所述分束器、光电探测器、偏振分束器B和聚焦物镜处于同一水平直线上，且所述分束器位于所述所述光电探测器与所述偏振分束器B之间，所述聚焦物镜位于所述偏振分束器B与所述聚焦物镜之间，样品9位于所述聚焦物镜8的光束传输方向一侧。
由图1与图2可以看出，图2与图1中蓝色框内的部分十分接近。本发明在保持原有系统光路的基础上，仅在偏振分束器B2处加了两个纳米压电促动器，测量光斑直径时，延迟台不工作；做别的测量时，压电促动器不工作，这就增加了原有系统的功能，也是本发明易与别的系统复合的原因。
如何使偏振分束器准确偏转至关重要。这里，偏振分束器B2被安装于一个SL万向光学调整架上，调整架与偏振分束器B由机加工制作的铝合金件相连接，调整架下方与两个纳米压电促动器（NanoPZ Newport）相连，使偏振分束器B2可以在三维空间内偏转。通过校准，偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比。因此，只需使一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，便可以使两束光发生与之对应的偏移。
为了操作的便携，本发明利用Labview编程实现了对光斑偏移的连续控制和对应的数据采集。通过校准获得了不同聚焦情况下单位光斑偏移对应的促动器步数（单位为steps/μm），通过设置每次测量间的步数便可以控制每次测量间的光斑偏移。为了保证采集数据的准确性，每一个位置都进行多次采样取其平均值的方法，最大程度消除测量的误差。
图3、图4分别为本发明对4倍聚焦和10倍聚焦两种情况下测量光斑聚焦直径的结果示意图。可以发现，随着光斑偏移程度的增加，Vin信号幅值不断降低，且降低的程度与光斑聚焦倍数有关。将采集得到的信号进行拟合（拟合公式为
，由于纳米压电促动器工作的不稳定性，实际位移与设置可能存在差距，因此增加x0这一参数增加拟合的精度），即可得到激光光斑的聚焦直径。可以从图中得出，4倍聚焦情况下光斑的聚焦直径为11.26μm，10倍聚焦情况下光斑的聚焦直径为5.25μm，测量得到的光斑聚焦直径并不完全正比于聚焦倍数，这是由于聚焦的不准确性，即光斑并非聚焦程度最好。
通过这样的方法，本发明实现了利用光斑偏移法测量激光的聚焦直径，在4倍和10倍聚焦情况下都得到了合理的结果。与传统的方法相比，这一方法同样操作简单，且具有很高的精度。更加重要的是，这一系统易于与同类的光学系统相复合，大大丰富了光学系统的功能与集成度。
下面说明本发明的操作步骤：
（1）前提准备：虽然可以利用压电促动器使PBS发生偏转，但是偏转是否带来正比例变化的光斑偏移（offset），还未可知，因此，本发明前期进行了校准，在CCD相机下经过测量发现，在特定的聚焦情况下，水平方向内的offset与纳米促动器运行的步数（steps）呈正比例关系（看光路可以发现，水平偏转和竖直偏转对激光的反射情况时不一样的，水平偏转才能使steps与offset呈正比，假设激光是圆形的，每个方向的直径应该都是相同的），因此，要测量不同聚焦情况下的光斑聚焦直径，先要进行校准，把steps和Offset进行联系。
（2）测量：知道了促动器走多少steps产生多少的offset，在测量时，就可以设定每次采样之间促动器的前进步数，从而得到特定的offset。举个例（并不代表真实数值），如4倍聚焦下，促动器走120步，对应1μm的offset，本发明每隔0.5μm测量一个点，那本发明就设置步长为60步，再设置一个光斑预先的偏移（这是为了使偏移的激光完全扫过另一束不动的激光）。开始测量后，促动器先推动PBS进行一个预先的大偏转，使两束光完全不重合。之后进行采样，采样5次之后输出一个数值，之后促动器按照设置步数运转，使两束光的中心接近0.5μm，采样5次后输出一个数值。这样循环下去，两束光会经历互相重合又互相偏移的过程。这样，在不同offset下的信号强度就都能采集到了。
（3）拟合：采集得到的信号，是锁相放大器采集得到的。锁相放大器一般有参考信号，它只会提取和参考信号相同频率的信息。采集到的信号中，与参考信号相位相同的叫同相信号（Vin），相位相差π/2的叫反相信号（Vout），两个信号的物理意义不同，这里本发明只考虑Vin。Vin与两束光的offset存在特定的关系，这里，x是两束光的偏移（offset），ω0为光斑的聚焦直径。本发明已经获得了Vin随x变化的信号，那么把信号与这个公式进行拟合就可以了。因为二者是呈正比关系，因此需要有个比例系数，所以本发明加入了比例系数A。因为纳米促动器工作的不稳定性，信号的最大值往往不是正好对应本发明设置的值，因此本发明加入了一个参数x0，表示由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差。因此，整个拟合公式为： 。通过origin拟合，基于最小二乘法的原理，可以同时获得公式中的三个未知参数，结果就如图3-4中所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其包括偏振分束器A、偏振分束器B，所述偏振分束器A被布置为使一束激光分成偏振方向互相垂直的两束光，偏振分束器B被布置为将所述偏振分束器A分成的两束光进行重合，其特征在于，偏振分束器A固定设置，所述偏振分束器B连接设置在纳米压电促动器上，以便使所述偏振分束器B在所述纳米压电促动器的驱动下实现三维运动，进而使得所述偏振分束器B发生偏转，从而实现两束光发生一定的偏移，使锁相放大器接收到的Vin信号产生变化，对采集到的信号进行数值拟合，即可得到光斑的聚焦直径；
所述偏振分束器B安装于万向光学调整架上，万向光学调整架的下方与两个纳米压电促动器相连，从而使偏振分束器B能够在三维空间内偏转；偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，即可使两束光发生与之对应的偏移；
还包括延迟台，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为对样品产生激发的泵浦光和感受样品表面的变化并被反射和接受的探测光，所述延迟台负责控制泵浦光和探测光产生连续的延迟时间；在测量光斑直径时，所述延迟台不工作；在做除光斑直径外的测量时，压电促动器不工作；水平方向内的光斑偏移与纳米促动器运行的步数呈正比例关系，通过设置每次测量间纳米促动器运行的步数即可控制每次测量间的光斑偏移；在测量时，通过设定每次采样之间纳米促动器的前进步数，从而得到特定的光斑偏移，通过Labview控制策略采集并记录探测光反射信号随激光偏移距离的变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其特征在于：还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器、光电探测器和聚焦物镜，其中，所述偏振分束器A、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器的镜面角度均平行设置，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为光束一和光束二，所述光束一经过所述第一反射镜发射至所述分束器，所述光束二经过第二反射镜发射至所述第三反 射镜，且光束二经过第三反 射镜发射至所述偏振分束器B，所述分束器、光电探测器、偏振分束器B和聚焦物镜处于同一水平直线上，且所述分束器位于所述光电探测器与所述偏振分束器B之间，所述聚焦物镜位于所述偏振分束器B与所述聚焦物镜之间，样品位于所述聚焦物镜的光束传输方向一侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其特征在于：还包括对信号进行采集的锁相放大器，锁相放大器的同相信号Vin，同相信号Vin与两束光的偏移存在以下拟合关系：
其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅。
4.一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统的实验方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)将各个器件安装调试好，使偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，以便使两束光发生与之对应的偏移；
(2)测量：利用Labview控制策略编程，实现对光斑偏移的连续控制和对应的数据采集，通过校准获得不同聚焦情况下单位光斑偏移对应的纳米促动器步数，纳米促动器步数的单位为steps/μm，通过设置每次测量间的步数便可控制每次测量间的光斑偏移，为了保证采集数据的准确性，每一个位置都进行多次采样取其平均值的方法，最大程度消除测量的误差；
(3)开始测量后，促动器先推动偏振分束器B进行一个预先的大偏转，使两束光完全不重合，之后进行采样，采样5次之后输出一个数值，之后纳米促动器按照设置步数运转，使两束光的中心接近0.5μm，采样5次后输出一个数值，这样循环下去，两束光会经历互相重合又互相偏移的过程，这样，在不同偏移下的信号强度就都能采集到了；
(4)拟合：将采集得到的信号进行拟合(拟合公式为
其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅；
通过origin拟合，基于最小二乘法的原理，可以同时获得公式中的未知参数；
该方法采用权利要求1-3任意一项所述的基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统。
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