专利名称：一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置的制作方法
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勻等原因，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lOOnm，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 Depletion Microscopy)、焚光自相关步页谱分析仪(FCS :fluorescence Correlation Spectroscopy)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( (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lOOnm，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 Position Sensitive 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
权利要求
1.一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)依次重复进行上述( (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lOOnm，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；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。
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。
全文摘要
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。
文档编号G02B27/30GK102508365SQ20111033893
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者刘旭, 匡翠方, 李帅, 李旸晖, 郝翔 申请人:浙江大学