测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置及方法制造方法及图纸

一种测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置及方法。该装置由光路装置和电路装置构成：沿参考光源输出的参考光方向依次置有凸透镜组、架于光纤耦合架上的多模光纤、分束片，参考光经过所述的分束片后分成透射光Ｒ（ｔ）和反射光Ｒ（ｆ），在反射光Ｒ（ｆ）方向有第一反射镜，所述的透射光Ｒ（ｔ）方向依次是第一器件组和第二器件组，在所述的第一反射镜的反射光方向依次是所述的分束片、偏振片、小孔光阑和二极管光电探测器；电路装置包括位置探测器信号处理电路、高压放大电路、三角波产生电路、±１５Ｖ运放电源、输入插座和具有ＰＣＩ数据采集板的计算机。本发明专利技术可大大降低测量成本和测量误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测量，特别是一种, 它把传统刀口法、迈克尔逊干涉法以及位置探测器测量微移法结合起来，具有高精 度、低成本的优点。
技术介绍
在冷原子物理研究领域中，光偶极势阱是一种有效的捕获单原子从而在单原子 水平上实现对原子的观测和操控的有效手段。红失谐于原子共振跃迁频率的光学偶 极势阱利用偶极力将俘获的原子限制在光强最大的高斯光束束腰处，当束腰尺寸小 于4um时，势阱中的碰撞阻塞效应明显，光偶极势阱在束腰处可以容易地捕获到单 个原子。因此，在此类科学实验研究中，准确定位产生光偶极势阱的高斯光束的束 腰位置以及测定其尺寸是一个至关重要的问题。A.H Firester等人在文章"刀口扫描法测量亚波长量级聚焦光束"(参见 "Knife-edge scanning measurements of subwavelength focused light beams" Applied Optics, Vol. 16, No. 7， July 1977， pl971-1974)中，提出一种装置，利用 受高压三角波信号驱动的压电陶瓷控制刀片垂直于被测光传播方向的进动切割并结 合干涉法测量刀片在此方向上的实际移动距离从而测定光束束腰尺寸，利用另一块 受直流高压信号驱动的压电陶瓷控制刀片在被测光传播方向上的移动来定位束腰位 置。这种测量装置测量束腰尺寸的方法是通过压电陶瓷控制刀片对光束横截面的全 范围重复性进动遮挡以及通过电路对探测到的未被刀片遮挡部分的光功率信号求微 分来实现，若光束尺寸很大以至于高压放大电路的输出电压难以驱动压电陶瓷做全 光束截面范围的扫描，此测量方法将无法使用；这种测量装置定位束腰位置的方法 是通过改变加在压电陶瓷上的直流高压信号的的幅值来改变刀片的横向位移量，由 于压电陶瓷的伸长量与所加电压的增长成非线性关系、压电陶瓷具有迟滞特性且具 有当加在其上的电压不变时伸縮量发生缓慢漂移的蠕变特性，因此该定位束腰位置 的方法的精确度难以保证。同时，考虑到使用此法定位刀片横向位置时另一块压电陶瓷也在高压三角波信号驱动下进动，控制刀片位置的整套装置的稳定性难以保证， 束腰尺寸的测量精度也会受到影响。目前市场上已有国内外厂商开发的精密测量高斯光束各项参数的光束质量分析 仪器，但此类仪器大多价格昂贵，虽功能繁多，但对于只对束腰尺寸及其位置参数 有需求的科学实验及生产，购买此类商品将可能造成资金及资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述已有技术在测量束腰位置的定位精度方面受限于压电 陶瓷自身性能中的迟滞和非线性因素的缺点、在对光束横向尺寸的测量能力方面受 制于驱动压电陶瓷进动的高压放大电路的电压放大能力的缺点，以及在测量投入成 本及测量精度间难以达成统一的困难，提供一种测定高斯光束束腰位置和尺寸的装 置和方法。该装置可大大降低测量成本及降低测量误差。本专利技术的技术解决方案一种测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特点是该装置包括 光路装置沿参考光源输出的参考光方向依次置有凸透镜组、架于光纤耦合架上的多模光 纤、分束片，参考光经过所述的分束片后分成透射光R (t)和反射光R (f),在反 射光R (f)方向有第一反射镜，所述的透射光R (t)方向依次是第一器件组和第二 器件组，在所述的第一反射镜的反射光方向依次是所述的分束片、偏振片、小孔光 阑和二极管光电探测器；所述的第一器件组的构成是第二反射镜固定于圆筒形的压电陶瓷的前端面上， 该压电陶瓷的后端面粘有环形陶瓷片并固定在圆环形底座上，在该圆环形底座的另 一面是具有外螺纹的后端镜筒，在该后端镜筒的后端面有第一平凸透镜，所述的第二反射镜、压电陶瓷、环形陶瓷片和第一平凸透镜同光轴，所述的外螺纹固定在一 个镜筒式二维角度调整架上；该镜筒式二维角度调整架固定在一个可以沿被测光前 进方向和被测光前进方向的垂直方向调整的二维手动直线调节台上；所述的第二器件组为一内接式镜筒，镜筒前端插槽内置有第二平凸透镜，镜筒 后端面中心处固定有位置探测器，镜筒中部是外螺纹，所述的第二平凸透镜和位置探测器同光轴，所述的外螺纹固定在镜筒式二维角度调整架上；该镜筒式二维角度调整架固定在一个可以沿被测光前进方向和被测光前进方向的垂直方向调整的二维手动直线调节台上，此平台拥有微米量级精度的螺旋微调旋钮；上述元部件固定在一块底板上，并使所述的凸透镜组、架于光纤耦合架上的多 模光纤的两端口、分束片、第一器件组、第二器件组、偏振片、小孔光阑和二极管 光电探测器的水平中心处于同一水平高度上；一块刀片固定在第二反射镜的面向被测高斯光束前进方向的侧缘上，该刀片的 刀刃横向垂直于被测高斯光束，在该刀片的另一面，沿被测高斯光束传播方向置有 光电探测器；所述的透射光R (t)透过第一器件组前端的第二反射镜的透射光经第一平凸透 镜后经过第二器件组入瞳内的第二平凸透镜到达所述的位置探测器；所述的分束片和第二反射镜的前表面之间的光路构成迈克尔逊干涉仪的测量 臂，分束片和第一反射镜之间的光路构成迈克尔逊干涉仪的参考臂，所述的测量臂 与参考臂的臂长相等；电路装置包括位置探测器信号处理电路、高压放大电路、三角波产生电路、士15F 运放电源、输入插座和具有PCI数据采集板的计算机，所述的三角波发生电路的电 压输出端经高压放大电路连接至接至圆筒形压电陶瓷的内表面的电线输入端，所述 的位置探测器信号处理电路的两个信号电流输入端与位置探测器的^路光电流信号 输出端相连接，所述的输入插座的模拟输入端子组背后的触针连接端组分别与所述 的二极管光电探测器的输出端、光电池光电探测器的输出端、三角波产生电路的输 出端、位置探测器信号处理电路的输出端、位置探测器输出端相连；所述的输入插座经数据线与所述的计算机的输入插座连接。 所述的参考光源为激光光源。所述的第二反射镜为部分反射镜，其前表面镀卯％增反膜，后表面镀100%增透膜。所述的环形陶瓷片上开有径向的条形缺口，供所述的压电陶瓷内表面的电线引出。利用上述的装置测定高斯光束束腰位置和尺寸的方法，包括如下步骤 <1>调节所述的凸透镜组和光纤耦合架组，优化进入迈克尔逊干涉仪光路的光束 质量；<2>转动偏振片，使透过小孔光阑的光功率达到最大，以增加迈克尔逊干涉仪的干涉条纹对比度；〈3〉定义Z方向为被测高斯光束的前进方向，确保被测高斯光束束腰位置Z〉0的 情况下，调整第一器件组的初始位置并令其Z坐标为O，并使被测高斯光束前进方向 与所述刀片的表面垂直，且被测高斯光束落在刀片下靠近刀刃边缘的位置；〈4〉启动计算机，利用PCI数据采集卡采集位置探测器信号处理电路输出的反映 第二器件组相对于第一器件组的位置的电拜信号Ul，根据此信号Ul调整第二器件 组相对于第一器件组的位置，使第一器件组的位置处于位置探测器的信号线性变化 的区域；O在第一器件组的初始位置处Zf0，选取利用PCI数据采集卡采集的所述的 二极管光电探测器输出的反映刀片在单次同方向进动过程中实际进动距离u的通过 小孔光阑的正弦形式变化的迈克尔逊干涉仪的干涉条纹信号中的P个整周期(p>l) 信号及对应于该p个整周期的硅光电池探测器的光功率变化信号作为数据处理区 域，并把数据处理区域内的第一个数据点的归一化光功率信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特征在于该装置包括：　光路装置：　沿参考光源输出的参考光（Ｒ）方向依次置有凸透镜组（１）、架于光纤耦合架（２）上的多模光纤（３）和分束片（４），参考光（Ｒ）经过所述的分束片（４）后分成透射光Ｒ（ｔ）和反射光Ｒ（ｆ），在反射光Ｒ（ｆ）方向有第一反射镜（５），所述的透射光Ｒ（ｔ）方向依次是第一器件组（６）和第二器件组（７），在所述的第一反射镜（５）的反射光方向依次是所述的分束片（４）、偏振片（１０）、小孔光阑（１１）和二极管光电探测器（１２）；　所述的第一器件组（６）的构成是：第二反射镜（１３）固定于圆筒形的压电陶瓷（１４）的前端面上，该压电陶瓷（１４）的后端面粘有环形陶瓷片（１５）并固定在圆环形底座（１６）上，在该圆环形底座（１６）的另一面是具有外螺纹（１７）的后端镜筒（１８），在该后端镜筒（１８）的后端面有第一平凸透镜（１９），所述的第二反射镜（１３）、压电陶瓷（１４）、环形陶瓷片（１５）和第一平凸透镜（１９）同光轴，所述的外螺纹（１７）固定在一个镜筒式二维角度调整架上；该镜筒式二维角度调整架固定在一个可以沿被测光前进方向和被测光前进方向的垂直方向调整的二维手动直线调节台上；　所述的第二器件组（７）为一内接式镜筒，镜筒前端插槽内置有第二平凸透镜（２０），镜筒后端面中心处固定有位置探测器（２２），镜筒中部是外螺纹（２１），所述的第二平凸透镜（１９）和位置探测器（２１）同光轴，所述的外螺纹（２１）固定在镜筒式二维角度调整架上；该镜筒式二维角度调整架固定在一个可以沿被测光前进方向和被测光前进方向的垂直方向调整的二维手动直线调节台上，此平台拥有微米量级精度的螺旋微调旋钮；　上述元部件固定在一块底板上，并使所述的凸透镜组（１）、架于光纤耦合架（２）上的多模光纤（３）的两端口、分束片（４）、第一器件组（６）、第二器件组（７）、偏振片（１０）、小孔光阑（１１）和二极管光电探测器（１２）的水平中心处于同一水平高度上；　一块刀片（８）固定在第二反射镜（１３）的面向被测高斯光束（Ｇ）前进方向的侧缘上，该刀片（８）的刀刃横向垂直于被测高斯光束（Ｇ），在该刀片（８）的另一面，沿被测高斯光束（Ｇ）传播方向置有光电探测器（９）；　所述的透射光Ｒ（ｔ）透过第一器件组（６）前端的第二反射镜（１３）的透射光经第一平凸透镜（１９）后经过第二器件组（７）入瞳内的第二平凸透镜（２０）到达所述的位置探测器（２２）...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏天，周蜀渝，陈鹏，徐震，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]