[发明专利]一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置

说明书

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匀等原因，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100nm，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)、荧光自相关频谱分析仪(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(3)～(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100nm，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。