[发明专利]测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量，特别是一种测定高斯光束束腰位置和尺寸的装置及方法，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。 

背景技术

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4μm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，p1971-1974)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缩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。 

发明内容

本发明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。 

本发明的技术解决方案： 

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，该第二反射镜为部分反射镜，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；