CN116753839B - 一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置及方法，旨在解决现有技术中测量亚微米高斯光束光斑尺寸的方法存在测量精度不高，操作繁琐，装置成本高等问题，其基于激光光束的偏振特性，利用半波片、四分之一波片等多种偏振光学元件来调节光束的偏振态，实现了反射光路中亚微米激光光束尺寸的测量，同时建立了相应的数学模型进行光斑尺寸的计算，保证测量精度的同时操作简单方便。本发明可以对亚微米级别的光斑进行测量，同时保证测量精度，操作简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置及方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
对于高斯光束而言，其光斑尺寸的测量方法通常有如下三种 (1)套孔法；(2)CCD法；(3)刀口法。其中套孔法需要将小孔对准光斑中心，不适用于尺寸为微米级别光斑的测量；CCD法虽然能在一定程度上保证测量精度的提高，但该方法仅适用于较低功率的激光器，对于较高功率的光束测量，CCD会存在饱和现象，如果用衰减片，则会引起光束的畸变，并且需要额外购置CCD，增加了实验的预算。刀口法相较于其他方法，具有方便实用、操作简单和精度较高等优势。
在实验装置中光功率计通常置于刀片后方，并通过位移台移动刀片来探测透射光的能量变化。但是在反射光路中，无法直接利用刀口法进行光斑尺寸的测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置及方法，可以在反射光路中对亚微米级别的光斑进行测量，同时保证测量精度，操作简单方便。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明提供一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，包括线偏振激光器，所述线偏振激光器能够面向光纤耦合组件发出线偏振激光光束，所述光纤耦合组件用于对线偏振激光光束进行扩束，并将其传输至半波片，所述半波片用于改变光束中水平分量p波和垂直分量s波的能量占比；
所述线偏振激光光束通过半波片后，经反射组件反射后传输至偏振分束立方，所述偏振分束立方用于将垂直分量s波反射出光路，并使得水平分量p波通过，所述水平分量p波经四分之一波片变为圆偏振光后入射至物镜中；
所述物镜另一侧设有位移台，所述位移台上设有真空腔体，所述真空腔体内设有基底，所述物镜能够使光束通过真空腔体表面中心处的窗口入射至基底上；
所述偏振分束立方与光功率计连接，所述光功率计用于测量反射出的垂直分量s波的光功率；
所述位移台通过同步带轮与多个步进电机相连，所述步进电机分别用于驱动位移台沿x、y、z轴方向移动。
可选的，所述光纤耦合组件包括两个相向放置的光纤耦合器，所述光纤耦合器中间通过单模保偏光纤连接，所述单模保偏光纤将经过光纤耦合器聚焦后的激光光束传输至另一个光纤耦合器进行扩束。
可选的，所述反射组件包括两个反射镜，所述两个反射镜对称放置，其能够将激光光束经两次90°反射后以与初始发射方向相反的方向入射至偏振分束立方中。
可选的，所述四分之一波片的快轴与水平方向呈45°放置，其用于将激光光束转变为圆偏振光。
可选的，所述步进电机的控制线通过驱动板与电路板相连接，所述电路板与电脑串口相连，所述电脑配设有用于对步进电机进行控制的控制程序。
可选的，所述基底沿轴向分为左右两部分，两部分在中部形成有分界面，所述两部分由不同材质组成，且两部分材质的反射率比值不小于2:1。
另一方面，本发明提供一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的方法，其特征在于，所述方法通过利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置实现，其包括：
S1、打开线偏振激光器，待其功率稳定，同时进行基底安装及位置调节；
S2、通过控制程序设置位移台在x方向移动的步长以及总移动步数；
S3、驱动位移台沿x方向移动，移动过程中光束由基底上的一部分移向另一部分，在每一步移动完成后，通过光功率计测量反射出的垂直分量s波的光功率；
对测得的光功率进行归一化，得归一化后的光功率与分界面距离光束中心的距离ξ之间的关系，利用数学模型计算得到光斑的尺寸；
S4、通过控制程序驱动位移台沿z方向移动，重复步骤S3操作，得到在z方向上不同位置处的光斑尺寸，拟合后得到最小光斑尺寸。
进一步的，所述基底安装及位置调节，包括：
将基底安装于真空腔体内；
将真空腔体安装于位移台上，手动调节位移台，使得基底位于物镜的焦面上，且激光光束处于法兰窗口的中心位置。
进一步的，对测得的光功率进行归一化，得归一化后的光功率与分界面距离光束中心的距离ξ之间的关系，利用数学模型计算得到光斑的尺寸，包括：
设入射到基底上的激光功率为P 0；
当光束全部处于金电极上时，反射功率P R可表示为：
P R=P 0×T path×R Au （1）；
其中，T path为反射光路的透过率，R Au为金电极的反射率；
当光束部分处于金电极上，其余部分处于硅基底上时，反射功率P R可表示为：
（2）；
其中，R si为硅基底的反射率，ω为光束半径，erf为误差函数，I(x,y)为高斯光束的强度分布，(x,y)为位于以光束中心为原点的坐标系内的点坐标；
对反射功率P R归一化，得：
（3）；
其中，为归一化后的光功率；
将硅基底的反射功率和金电极的反射功率比值代入公式（3），对其进行简化；
将多个测量得到的反射功率P R数据代入简化后的公式，得分界面距离光束中心的距离ξ与光束半径ω之间的关系公式；
由于基底移动前后相对于分界面是左右对称的，即移动的距离d和分界面距离光束中心的距离ξ的关系为：
d= 2ξ （4）；
将公式（4）代入分界面距离光束中心的距离ξ与光束半径ω之间的关系公式，即得移动的距离d与光束半径ω之间的关系公式。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明基于激光光束的偏振特性，利用半波片、四分之一波片等多种偏振光学元件来调节光束的偏振态，实现了反射光路中亚微米激光光束尺寸的测量，同时建立了相应的数学模型进行光斑尺寸的计算，保证测量精度的同时操作简单方便，从而实现对亚微米级别的光斑的测量；
本发明采用的基底包含反射率不同的两部分，通过在两部分形成的分界面上移入和移出聚焦光束，可以将两部分的反射率的较大差异转化为测量反射光功率的较大差异，方便后续计算；
本发明将步进电机与电路板连接，并通过控制程序控制，配合手动调节位移台，有助于实现基底的高精度移动，降低了测量装置成本。
附图说明
图1为本发明的一种实施例中利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置的结构示意图；
图2为本发明的一种实施例中基底的结构示意图；
图3为本发明的一种实施例中归一化的反射功率关于光束中心与分界面之间距离ξ之间的关系示意图；
图4为本发明的一种实施例中沿光轴方向（z方向）聚焦光束半径ω(z)与光轴不同位置处的关系示意图；
图中：1线偏振激光器、2光纤耦合器、3单模保偏光纤、4半波片、5反射镜、6偏振分束立方、7功率计、8四分之一波片、9物镜、10位移台、11真空腔体、12基底、13步进电机、14同步带轮。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例提供一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，包括线偏振激光器1，线偏振激光器1用于面向光纤耦合组件发出线偏振激光光束，光纤耦合组件由两个光纤耦合器2和单模保偏光纤3，两个光纤耦合器2相向放置，且中间通过单模保偏光纤3连接，单模保偏光纤3能够将一个光纤耦合器2接收到的激光光束经扩束及光束整形后传输到另一个光纤耦合器2。
光纤耦合组件将线偏振激光光束传输至半波片4，半波片4用于改变光束中水平分量p波和垂直分量s波的能量占比，从而调节线偏振光的偏振方向，以最大化通过偏振分束立方6的激光功率，激光光束经半波片4后反射至偏振分束立方6。
在一些实施例中，反射可以采用两块对称放置的反射镜5，其能够将激光光束经两次90°反射后以与初始发射方向相反的方向入射至偏振分束立方6中，偏振分束立方6可以使垂直分量s波反射出光路，并使得水平分量p波通过。偏振分束立方6与光功率计7连接，光功率计7用于测量反射出的垂直分量s波的光功率。
水平分量p波传输至四分之一波片8，四分之一波片8与水平方向呈45°放置，其能够将激光光束转变为圆偏振光后入射至物镜9中，物镜9的另一侧设有位移台10，在位移台10上设有用于放置基底12的真空腔体11，真空腔体11靠近物镜9的一侧设有法兰窗口，物镜9能够使光束尺寸聚焦至亚微米级别，并通过真空腔体11上的法兰窗口入射至基底12上。
在一些实施例中，位移台10可以进行手动调节，从而控制位移台10在x、y、z轴三个方向上的移动，并且，位移台10的促动器还通过同步带轮14与多个步进电机13相连，步进电机13的控制线通过驱动板与电路板连接，电路板可为Arduino板，Arduino板与电脑的串口相连，电脑配有控制程序，控制程序可为Labview软件，便于实现对步进电机13的控制，从而实现基底12的高精度移动。
基底12的表面具有高反射率差的分界面，其分为左右两部分，且需满足左右两部分的反射率比值不小于2:1。
实施例2：
本实施例提供一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的方法，本方法通过实施例1所述的装置实现。
如图2所示，本实施例所使用的基底12左边部分为高反射率的金电极部分，右边部分为低反射率的硅基底，硅基底的表面具有500nm厚度的二氧化硅。中间圆形部分为激光光束，以光束中心为原点建立笛卡尔坐标系，设分界面距离光束中心的距离为ξ。
方法包括以下步骤：
S1、打开线偏振激光器1，待其功率稳定后，将基底12安装于真空腔体11内，接着将真空腔体11安装于位移台10上，先手动调节位移台10，使得基底12位于物镜9的焦面上，且激光光束处于法兰窗口的中心位置。
S2、通过Labview软件设置位移台10在x方向移动的步长以及总移动步数；
S3、驱动位移台10由右向左移动，移动过程中光束由金电极移向硅基底，在每一步移动完成后，通过光功率计7测量反射出的垂直分量s波的光功率；
设入射到基底上的激光功率为P 0；
当光束全部处于金电极上时，反射功率P R可表示为：
P R=P 0×T path×R Au （1）；
其中，T path为反射光路的透过率，R Au为金电极的反射率；
当光束部分处于金电极上，其余部分处于硅基底上时，反射功率P R可表示为：
（2）；
其中，R si为硅基底的反射率，ω为光束半径，erf为误差函数，I(x,y)为高斯光束的强度分布，(x,y)为位于以光束中心为原点的坐标系内的点坐标。
结合图3，对反射功率P R归一化，得：
（3）；
其中，为归一化后的光功率。
根据硅基底的反射功率和金电极的反射功率比值为1/4，对上述公式进行简化，得：
（4）；
取归一化后光功率的20% ~ 80%（20%对应的反射功率值为0.4μW，80%对应的反射功率为0.85μW）代入公式（4），得分界面距离光束中心的距离ξ与光束半径ω之间的关系为：
ω = 2.337ξ （5）；
由于基底移动前后相对于分界面是左右对称的，即移动的距离d和分界面距离光束中心的距离ξ的关系为：
d = 2ξ （6）；
结合公式（5）、（6），可得：
ω = 2.337d/2 （7）。
S4、通过控制程序驱动位移台沿z方向（即光轴）移动，重复步骤S3操作，得到在z方向上不同位置处的光斑尺寸，拟合后即可得到最小光斑尺寸，如图4所示最小光斑尺寸为0.4534μm。
在激光扫描系统中，光斑在峰值能量衰减至1/e2时的半径可利用1.891λ×f number /2来计算，其中λ为使用的激光波长，f number 为系统的数值孔径，当波长为633 nm时，物镜的数值孔径为0.7，相应的半径为0.427μm，所以两者结果接近，证明了本发明的可行性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，包括线偏振激光器，所述线偏振激光器能够面向光纤耦合组件发出线偏振激光光束，所述光纤耦合组件用于对线偏振激光光束进行扩束，并将其传输至半波片，所述半波片用于改变光束中水平分量p波和垂直分量s波的能量占比；
所述线偏振激光光束通过半波片后，经反射组件反射后传输至偏振分束立方，所述偏振分束立方用于将垂直分量s波反射出光路，并使得水平分量p波通过，所述水平分量p波经四分之一波片变为圆偏振光后入射至物镜中；
所述物镜另一侧设有位移台，所述位移台上设有真空腔体，所述真空腔体内设有基底，所述物镜能够使光束通过真空腔体表面中心处的窗口入射至基底上；
所述偏振分束立方与光功率计连接，所述光功率计用于测量反射出的垂直分量s波的光功率；
所述位移台通过同步带轮与多个步进电机相连，所述步进电机分别用于驱动位移台沿x、y、z轴方向移动；
所述装置利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的方法包括：
S1、打开线偏振激光器，待其功率稳定，同时进行基底安装及位置调节；
S2、通过控制程序设置位移台在x方向移动的步长以及总移动步数；
S3、驱动位移台沿x方向移动，移动过程中光束由基底上的一部分移向另一部分，在每一步移动完成后，通过光功率计测量反射出的垂直分量s波的光功率；
对测得的光功率进行归一化，得归一化后的光功率与分界面距离光束中心的距离ξ之间的关系，利用数学模型计算得到光斑的尺寸，包括：
设入射到基底上的激光功率为P 0；
当光束全部处于金电极上时，反射功率P R可表示为：
P R= P 0×T path×R Au （1）；
其中，T path为反射光路的透过率，R Au为金电极的反射率；
当光束部分处于金电极上，其余部分处于硅基底上时，反射功率P R可表示为：
（2）；
其中，R si为硅基底的反射率，ω为光束半径，erf为误差函数，I(x,y)为高斯光束的强度分布，(x,y)为位于以光束中心为原点的坐标系内的点坐标；
对反射功率P R归一化，得：
（3）；
其中，为归一化后的光功率；
将硅基底的反射功率和金电极的反射功率比值代入公式（3），对其进行简化；
将多个测量得到的反射功率P R数据代入简化后的公式，得分界面距离光束中心的距离ξ与光束半径ω之间的关系公式；
由于基底移动前后相对于分界面是左右对称的，即移动的距离d和分界面距离光束中心的距离ξ的关系为：
d= 2ξ （4）；
将公式（4）代入分界面距离光束中心的距离ξ与光束半径ω之间的关系公式，即得移动的距离d与光束半径ω之间的关系公式；
S4、通过控制程序驱动位移台沿z方向移动，重复步骤S3操作，得到在z方向上不同位置处的光斑尺寸，拟合后得到最小光斑尺寸。
2.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，所述光纤耦合组件包括两个相向放置的光纤耦合器，所述光纤耦合器中间通过单模保偏光纤连接，所述单模保偏光纤将经过光纤耦合器聚焦后的激光光束传输至另一个光纤耦合器进行扩束。
3.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，所述反射组件包括两个反射镜，所述两个反射镜对称放置，其能够将激光光束经两次90°反射后以与初始发射方向相反的方向入射至偏振分束立方中。
4.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，所述四分之一波片的快轴与水平方向呈45°放置，其用于将激光光束转变为圆偏振光。
5.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，所述步进电机的控制线通过驱动板与电路板相连接，所述电路板与电脑串口相连，所述电脑配设有用于对步进电机进行控制的控制程序。
6.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的装置，其特征在于，所述基底沿轴向分为左右两部分，两部分在中部形成有分界面，所述两部分由不同材质组成，且两部分材质的反射率比值不小于2:1。
7.根据权利要求1所述的利用光束偏振测量亚微米激光光斑尺寸的方法，其特征在于，所述基底安装及位置调节，包括：
将基底安装于真空腔体内；
将真空腔体安装于位移台上，手动调节位移台，使得基底位于物镜的焦面上，且激光光束处于法兰窗口的中心位置。
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