[发明专利]测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置及方法

权利要求书

1.一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(Rt)和反射光(Rf)，在反射光(Rf)方向有第一反射镜(5)，所述的透射光(Rt)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，该第二反射镜(13)为部分反射镜，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(Rt)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)；

所述的分束片(4)和第二反射镜(13)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(4)和第一反射镜(5)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(23)、高压放大电路(24)、三角波产生电路(25)、±15V运放电源(26)、输入插座(27)和具有PCI数据采集板(28)的计算机(29)，所述的三角波发生电路(25)的电压输出端(31)经高压放大电路(24)连接至接至圆筒形压电陶瓷(14)的内表面的电线输入端(24)，所述的位置探测器信号处理电路(23)的两个信号电流输入端(35)(36)与位置探测器(14)的两路光电流信号输出端(37)(38)相连接，所述的输入插座(27)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(12)的输出端(39)、光电池光电探测器(9)的输出端(40)、三角波产生电路(25)的输出端(31)、位置探测器信号处理电路(23)的输出端(30)、位置探测器(22)输出端(37)(38)相连；

所述的输入插座(27)经数据线与所述的计算机(29)的输入插座(41)连接。

2.根据权利要求1所述的测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特征在于所述的参考光源为激光光源。

3.根据权利要求1所述的测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特征在于所述的第二反射镜为部分反射镜，其前表面镀90％增反膜，后表面镀100％增透膜。

4.根据权利要求1所述的测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特征在于所述的环形陶瓷片(15)上开有径向的条形缺口，供所述的压电陶瓷(14)内表面的电线引出。

5.利用权利要求1所述的装置测定高斯光束束腰位置和尺寸的方法，其特征在于包括如下步骤：

<1>调节所述的凸透镜组(1)和光纤耦合架组(2)，优化进入迈克尔逊干涉仪光路的光束质量；

<2>转动偏振片(10)，使透过小孔光阑(11)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(G)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(6)的初始位置并令其z坐标为0，并使被测高斯光束前进方向与所述刀片(8)的表面垂直，且被测高斯光束(G)落在刀片(8)下靠近刀刃边缘的位置；

<4>启动计算机，利用PCI数据采集卡(28)采集位置探测器信号处理电路(23)输出端(30)输出的反映第二器件组(7)相对于第一器件组(6)的位置的电压信号U1，根据此信号U1调整第二器件组(7)相对于第一器件组(6)的位置，使第一器件组(6)的位置处于位置探测器(22)的信号线性变化的区域；

<5>在第一器件组(6)的初始位置处z₀＝0，选取利用PCI数据采集卡(28)采集的所述的二极管光电探测器(12)输出的反映刀片(8)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(11)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个整周期信号及对应于该p个整周期的硅光电池探测器(9)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号幅值记为m1，把数据处理区域内的最后一个数据点的归一化光功率信号幅值记为n1，利用整周期数对应的刀片(8)的移动距离的换算出刀片(8)在此单次同方向扫描过程中的实际的移动距离u为：

u=p×λ2,]]>λ为参考光波长；

把(1-m1)的值作为查询对象，查询标准正态函数的累积函数表，把查找到的累积函数的函数值为(1-m1)的点的横坐标记为m2；把(1-n1)的值作为查询对象，查询标准正态函数的累积函数表，把查找到的累积函数的函数值为(1-n1)的点的横坐标记为n2，|n2-m2|即为所述的刀片(8)移动过程中从归一化的光功率变化对应的累积函数中推算出的积分变量横坐标的变化量v，利用计算初始位置处的光束的尺寸ω(z)₁；

<6>通过旋动固定第一器件组(6)的二维手动直线调整平台的横向螺旋微调旋钮，使第一器件组(6)向z轴正方向移动，移动的距离为螺旋微调旋钮上最小刻度的一格对应的长度；利用PCI数据采集卡(28)采集位置探测器(22)的信号处理电路(23)输出的反映第二器件组(7)相对于第一器件组(6)的位置的电压信号U2，利用公式确定刀片(8)相对于初始位置处的距离z₁，并把z₁作为此位置处刀片(8)的横向位置坐标，

式中：f为所述的第一平凸透镜(19)和第二平凸透镜(20)的焦距，l为所述的第一平凸透镜(19)的后焦点与第二平凸透镜(20)前焦点之间的距离，在此位置处，选取利用PCI数据采集卡(28)采集到的二极管光电探测器(12)的输出端(39)输出的反映刀片(8)在单次同方向进动过程中实际进动距离u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个整周期信号及这p个整周期对应的利用PCI数据采集卡(28)采集到的硅光电池探测器(9)的输出端(40)输出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号幅值记为m1，把数据处理区域内的最后一个数据点的归一化光功率信号幅值记为n1，利用整周期数对应的刀片(8)的移动距离换算方法计算出刀片(8)在此单次同方向扫描过程中的实际的移动距离u为λ为参考光波长，把(1-m1)的值作为查询对象，查询标准正态函数的累积函数表，把查找到的累积函数的函数值为(1-m1)的点的横坐标记为m2；把(1-n1)的值作为查询对象，查询标准正态函数的累积函数表，把查找到的累积函数的函数值为(1-n1)的点的横坐标记为n2，|n2-m2|即为所述的刀片(8)移动过程中从归一化的光功率变化对应的累积函数中推算出的积分变量横坐标的变化量v，利用带入u与v的值，即可求得此刀片位置处的光束的尺寸ω(z)₂；

<7>重复步骤<6>98次，依次获得刀片(8)一系列的位置z₃至z₁₀₀，以及相应的ω(z)₃至ω(z)₁₀₀；

<8>比较ω(z)₁至ω(z)₁₀₀的值，最小的即是光束束腰的尺寸，该尺寸对应的刀片(8)的位置z即为束腰的位置。