CN113804414A - 一种双光束光阱光束精密对准的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学精密测量技术领域。本发明提供了一种双光束光阱光束精密对准的装置,包括激光器(1)、二分之一波片(2)、偏振分束棱镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第一透镜(7)、第二透镜(8)、半透半反镜(9)、第一探测器(10)、第二探测器(11)和数据处理显示单元(12)。本发明通过在双光束光阱的光路外部施加检测装置,利用光路可逆性原理和光传播距离的放大作用,具有结构简单、对准精度高、实用性强和应用范围广等优点。本发明还提供了一种双光束光阱光束精密对准的方法。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域,涉及一种双光束光阱光束精密对准的装置和方法。
背景技术
两束相向传输的高斯光束聚焦在同一点上可以形成双光束光阱,一般用于捕获、悬浮微纳粒子,从而隔绝粒子与外界环境的相互作用,避免机械振动、热传导等干扰。在真空环境下,双光束光阱捕获的粒子抗干扰性能更佳,可以用于加速度、角速度、力等物理量的测量;同时,与热环境完全隔离的微粒还可用来进行超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚和量子基态冷却研究,具有广泛的应用前景。
双光束光阱目前是应用于光力悬浮系统的一种主要光路形式,其通常利用二分之一玻片和偏振分束棱镜,将一束线偏振光分成两束偏振方向相互垂直的S偏振光和P偏振光,两束光在透镜的聚焦下形成光阱,捕获光力大,光阱范围宽,可捕获直径几十纳米到十几微米的二氧化硅颗粒,在光学精密测量领域有很好的适用性。但在实际操作过程中,双光束光阱的对准问题是影响粒子稳定捕获和测量精度的关键环节。试想用一个数值孔径NA=0.68的透镜高度聚焦一束高斯光束,其束腰只有几个微米,要在微米尺度上实现两束聚焦光束的焦点重合与光束共轴是一件很有挑战性的工作。目前常用的方法主要包括三种:第一种方法是利用肉眼观察感光卡片上的光斑,根据两束光的重合程度调节光路;第二种方法是使用光束辅助对准装置,利用巧妙设计的平行四边形棱镜和一对四象限位置探测器实现双光束辅助对准(陈杏藩,李楠,胡慧珠,刘承,高晓文,一种双光束光阱光束辅助对准装置和方法[P],发明专利,CN 111061064 B);第三种方法是使用直径在微米量级的针孔,通过使两束光通过针孔的光强最大,即视为两束光焦点重合(Tongcang Li,Fundamentaltests of physics with optically trapped microspheres[D],THE UNIVERSITY OFTEXAS ATAUSTIN,May 2011)。第一种方法依赖于肉眼的观察和观察者的主观判断,调节精度低、重复性差,很难满足精密测量需求;第二种方法设计精巧,可以有效调节两束对向传输的激光共轴,但对于调节两个焦点的重合没有很好的解决方案;第三种方法只能确保双光束光阱的两个焦点重合,而一般很难使两束光严格意义上共轴,且使用针孔对准双光束光阱会受限于针孔的厚度。上述三种方法都存在一定的局限性,在一定程度上限制了双光束光阱在光学精密测量领域的快速发展。因此,提出一种简单、高精度,能同时确保两束光共轴和焦点重合的双光束光阱对准方法,具有重要的应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提出一种双光束光阱光束精密对准的装置和方法,具有结构简单、对准精度高、实用性强和应用范围广等优点。
本发明的原理是:利用二分之一波片和偏振分束棱镜(Polarization BeamSplitter,PBS)将一束线偏振光分成两束偏振方向相互垂直的S偏振光和P偏振光(以下分别简称S光和P光),S光经过PBS会反射,P光经过PBS会透射,两束光分别在两个透镜的聚焦下形成光阱,两束光分别经过下一个透镜,又经过反射镜的反射后,在PBS处合光。根据光路可逆性原理,如果两束光在近处和远处的四象限位置探测器(Quadrant Place Detector,QPD)上都相互重合,说明S光和P光在传输路径上共轴。调节两个透镜的间距,可以通过比较近处和远处的QPD上光强的大小,判断出两个透镜的焦点是否重合。由此,仅需要在光路外放两个QPD,就能同时确保两束光共轴和焦点重合,即完成双光束光阱的光束精密对准。
本发明采用的技术方案是:
如图1所示,一种双光束光阱光束精密对准的装置,包括激光器1、二分之一波片2、偏振分束棱镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第一透镜7、第二透镜8、半透半反镜9、第一探测器10、第二探测器11和数据处理显示单元12;
所述激光器1用于输出线偏振激光;
所述激光器1输出的激光经过二分之一波片2和偏振分束棱镜3后,分成两束偏振方向相互垂直的S光和P光,S光经第一反射镜4和第二反射镜5反射进第一透镜7聚焦后,从第二透镜8出射,再经第三反射镜6和偏振分束棱镜3反射至半透半反镜9;P光经第三反射镜6反射进第二透镜8聚焦后,从第一透镜7出射,再经第二反射镜5、第一反射镜4反射,从偏振分束棱镜3透射至半透半反镜9;所述S光和P光经偏振分束棱镜3处分光,各自绕环形光路一周后又在偏振分束棱镜3处合光,合光的光束经半透半反镜9分成两束光强相等的两束光,一束在近处反射进第一探测器10,另一束透射到远处,由第二探测器11接收,两个探测器的输出信号输入到数据处理显示单元12;
所述两个探测器用于传感光斑的位置和光强;
所述数据处理显示单元12用于采集所述两个探测器的输出信号,进行数据处理,并显示处理结果。
进一步地,所述第一透镜7和第二透镜8都为非球面透镜。
进一步地,所述第一探测器10和第二探测器11都为四象限探测器或CCD相机。
进一步地,所述数据处理显示单元12为具有数据采集功能的计算机。
为了便于描述,定义坐标系O-XYZ:以偏振分束棱镜3的几何中心为原点O,所述激光器1输出激光的方向为Y轴负向,以S光和P光在偏振分束棱镜3处合光后输出的方向为Z轴正向。
一种双光束光阱光束精密对准的方法,包括以下步骤:
步骤一,装配好任一以上所述装置,使所述激光器1发射激光;
步骤二,旋转所述二分之一波片2,使得S光或P光任一偏振光功率为零;
步骤三、借助所述数据处理显示单元12,调整所述两个探测器,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射;
步骤四,旋转所述二分之一波片2,将另一偏振光功率调为零;
步骤五,若此时S光功率为零,调节所述第二个透镜8;若此时P光功率为零,调节所述第一透镜7;在X、Y方向上分别调节所述透镜的俯仰、倾斜角度,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射,由此确保两束光共轴;
步骤六,在Z方向上调节任意一个透镜的位置,使得所述两个探测器接收到光斑的光强最大且相等,由此确保两束光共焦。
本发明的有益效果是:
1、本发明只需在双光束光阱的光路外部施加检测装置,对捕获光场的特性没有特殊要求,可用于不同光路结构的双光束光阱,对捕获微球的原光路干扰小,应用场合和适用范围广。
2、本发明利用光路可逆性原理和光传播距离的放大作用,使双光束光阱的对准精度在亚微米量级,具有结构简单、环境适应性强、对准精度高等优点。
3、本发明利用探测器的光强信号作为对准的参照,有效避免了肉眼观察和人的主观判断带来的误差,可重复性好,同时方便后期数据处理,可用于光阱状态的实时监测。
附图说明
图1为本发明所述装置总体结构示意图;
图2为本发明利用四象限光电探测器调节双光束共轴示意图;
图3为本发明利用四象限光电探测器调节双光束共焦示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明,但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示,一种双光束光阱光束精密对准的装置,包括激光器1、二分之一波片2、偏振分束棱镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第一透镜7、第二透镜8、半透半反镜9、第一探测器10、第二探测器11和数据处理显示单元12;所述激光器1用于输出线偏振激光;
所述激光器1输出的激光经过二分之一波片2和偏振分束棱镜3后,分成两束偏振方向相互垂直的S光和P光,S光经第一反射镜4和第二反射镜5反射进第一透镜7聚焦后,从第二透镜8出射,再经第三反射镜6和偏振分束棱镜3反射至半透半反镜9;P光经第三反射镜6反射进第二透镜8聚焦后,从第一透镜7出射,再经第二反射镜5、第一反射镜4反射,从偏振分束棱镜3透射至半透半反镜9;所述S光和P光经偏振分束棱镜3处分光,各自绕环形光路一周后又在偏振分束棱镜3处合光,合光的光束经半透半反镜9分成两束光强相等的两束光,一束在近处反射进第一探测器10,另一束透射到远处,由第二探测器11接收,两个探测器的输出信号输入到数据处理显示单元12;
所述两个探测器用于传感光斑的位置和光强;所述数据处理显示单元12用于采集所述两个探测器的输出信号,进行数据处理,并显示处理结果。
优选地,所述第一透镜7和第二透镜8都采用非球面透镜,所述第一探测器10和第二探测器11都采用四象限探测器,所述数据处理显示单元12采用具有数据采集功能的计算机。
一种双光束光阱光束精密对准的方法,包括以下步骤:
步骤一,装配好上述装置,使所述激光器1发射激光;
步骤二,旋转所述二分之一波片2,使得S光或P光任一偏振光功率为零;
步骤三、借助所述数据处理显示单元12,调整所述两个探测器,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射;
步骤四,旋转所述二分之一波片2,将另一偏振光功率调为零;
步骤五,若此时S光功率为零,调节所述第二个透镜8;若此时P光功率为零,调节所述第一透镜7;在X、Y方向上分别调节所述透镜的俯仰、倾斜角度,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射,由此确保两束光共轴;
步骤六,在Z方向上调节任意一个透镜的位置,使得所述两个探测器接收到光斑的光强最大且相等,由此确保两束光共焦。
图2为本发明利用四象限光电探测器调节双光束共轴示意图,图中黑色实线圆圈代表P光的光斑,黑色虚线圆圈代表S光的光斑。
图3为本发明利用四象限光电探测器调节双光束共焦示意图,图中黑色实线圆圈代表S光和P光共轴后,在Z方向上调节第一非球面镜7使得光强最大时的光斑,黑色虚线圆圈代表Z方向上调节第一非球面镜7使得光强变小时两束光的光斑,两者大小相同,即光强最大且相等时可视为两束光共焦。
需要说明的是,第二探测器11离偏振分束棱镜3越远,对准的精度越高,可以通过添加多个反射镜,在较小的空间内尽可能地延长第二探测器11与偏振分束棱镜3的距离,从而获得更高精度的对准。
Claims (5)
1.一种双光束光阱光束精密对准的装置,其特征在于:包括激光器(1)、二分之一波片(2)、偏振分束棱镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第一透镜(7)、第二透镜(8)、半透半反镜(9)、第一探测器(10)、第二探测器(11)和数据处理显示单元(12);
所述激光器(1)用于输出线偏振激光;
所述激光器(1)输出的激光经过二分之一波片(2)和偏振分束棱镜(3)后,分成两束偏振方向相互垂直的S光和P光,S光经第一反射镜(4)和第二反射镜(5)反射进第一透镜(7)聚焦后,从第二透镜(8)出射,再经第三反射镜(6)和偏振分束棱镜(3)反射至半透半反镜(9);P光经第三反射镜(6)反射进第二透镜(8)聚焦后,从第一透镜(7)出射,再经第二反射镜(5)、第一反射镜(4)反射,从偏振分束棱镜(3)透射至半透半反镜(9);
所述S光和P光经偏振分束棱镜(3)处分光,各自绕环形光路一周后又在偏振分束棱镜(3)处合光,合光的光束经半透半反镜(9)分成两束光强相等的两束光,一束在近处反射进第一探测器(10),另一束透射到远处,由第二探测器(11)接收,两个探测器的输出信号输入到数据处理显示单元(12);
所述两个探测器用于传感光斑的位置和光强;
所述数据处理显示单元(12)用于采集所述两个探测器的输出信号,进行数据处理,并显示处理结果。
2.根据权利要求1所述的双光束光阱光束精密对准的装置,其特征在于:所述第一透镜(7)和第二透镜(8)都为非球面透镜。
3.根据权利要求2所述的双光束光阱光束精密对准的装置,其特征在于:所述第一探测器(10)和第二探测器(11)都为四象限探测器或CCD相机。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双光束光阱光束精密对准的装置,其特征在于:所述数据处理显示单元(12)为具有数据采集功能的计算机。
5.一种双光束光阱光束精密对准的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,装配好权利要求1-4任一项所述的装置,使所述激光器(1)发射激光;
步骤二,旋转所述二分之一波片(2),使得S光或P光任一偏振光功率为零;
步骤三、借助所述数据处理显示单元(12),调整所述两个探测器,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射;
步骤四,旋转所述二分之一波片(2),将另一偏振光功率调为零;
步骤五,若此时S光功率为零,调节所述第二个透镜8;若此时P光功率为零,调节所述第一透镜(7);在X、Y方向上分别调节所述透镜的俯仰、倾斜角度,使得所述两个探测器接收到的入射光光斑都位于其光敏面的中心,且入射光垂直入射,由此确保两束光共轴;
步骤六,在Z方向上调节任意一个透镜的位置,使得所述两个探测器接收到光斑的光强最大且相等,由此确保两束光共焦。
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GR01 | Patent grant | ||
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