[发明专利]光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光电精密检测技术领域，可用于光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测。

背景技术

在冷原子喷泉钟的研究领域中，应用于磁光阱的激光束是由光纤扩束准直镜产生，激光束的准直性、同轴性和光斑强度分布的均匀性对于喷泉钟使用的冷原子样品的制备至关重要。在各个光学器件没有失调的理想情况下，光纤扩束准直镜筒出射光束波前的波矢应该与扩束准直光学系统的光轴(也即镜筒的机械轴)平行；出射光束在垂直于镜筒机械轴的截面上的光斑大小沿机械轴方向不变；出射光束的光强最大值轨迹应该沿着镜筒的机械轴，而在垂直于机械轴截面上的光强分布应该是以镜筒机械轴为对称轴的圆对称的高斯分布，这样的光束就具有了良好的同轴性、准直性和光强分布均匀性。然而由于各种原因引起的光学失调不可避免，离焦将破坏准直性，在垂直于机械轴的截面上光斑大小沿轴向会发生改变；入射光离轴将破坏同轴性，出射光波波前的波矢将不再平行于机械轴；而入射光的离轴和偏轴都将破坏光斑的均匀性，出射光束的光强最大值轨迹不再沿着机械轴传播，出射的光束将是偏心高斯光束，垂直于机械轴的光束截面的光强分布不再均匀。

因此，由于系统光学元件失调而造成的光纤扩束准直镜筒出射光束光强分布的不均匀性的检测可以通过偏心高斯光束的检测来获得。而光纤扩束准直镜筒在离焦和离轴都已经校正好的情况下，出射的高斯光束的强度分布的检测现在多用小孔扫描法(参见：1.陈江，铯原子喷泉钟冷原子粘团的制备及参数测量[D],西安，2012；2.段小春，原子干涉重力梯度测量原理性实验研究[D],武汉，2011)即分别沿两个正交的方向移动小孔对光斑的强度进行扫描。小孔扫描法要确保小孔行进的方向与镜筒机械轴垂直是非常困难的，而要确保小孔移动轨迹就是激光圆形光斑的直径也是困难的，因而难以准确得到垂直于镜筒机械轴的光斑的强度分布结果；并且小孔扫描法费时长，虽然可以在激光功率稳定后进行检测，但长时间的检测过程中难免会有功率起伏，造成测量误差，而实现激光功率稳定又需要一套造价不菲的反馈控制系统；小孔扫描法虽然能得到两个正交方向上光强分布的高斯曲线，但不能准确地反映出高斯光束光强最大值位置是否与镜筒机械轴重合或者其偏离机械轴的程度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可准确获得垂直于光纤扩束准直镜筒机械轴的高斯光束截面强度分布，并测量出偏心高斯光束的光强最大值与机械轴的偏离量的方法，通过对偏心高斯光束的检测可以实现光纤扩束准直镜筒光强分布不均匀性的检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，搭建拍摄装置，能够获取从扩束准直镜筒出射的高斯光束在垂直于机械轴截面上的光强分布数据；所述的拍摄装置将光学石英玻璃片和双面磨砂毛玻璃片紧紧贴后固定在一个镜架上，镜架和滤光片平行固定在底板上，CCD相机通过一维平移台安装在底板上，能够沿镜架的轴线平移，CCD相机的镜头轴向与双面磨砂毛玻璃片垂直；底板固定在一个能够调节竖直和水平倾角的二维调节架上，二维调节架通过一个螺旋升降杆与另一个水平的一维平移台连接，两个一维平移台的平移方向相互垂直；

步骤二，调节拍摄装置，通过调节固定CCD相机的一维平移台和CCD相机的焦距，使CCD相机能对双面磨砂毛玻璃片表面清晰成像；将已调节好离焦和离轴的扩束准直镜筒与拍摄装置一起固定在光学平台上，使扩束准直镜筒的轴线高度与拍摄装置的光学石英玻璃片的中心高度相同，并调节镜筒轴线的方向与光学石英玻璃片的平面垂直；在镜筒的出射端置入一个开孔在镜筒轴上的小孔光阑；调节拍摄装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过光学石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中；取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过光学石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴的光强分布数据；

步骤三，利用获取的光斑图像检测偏心高斯光束，包括以下步骤：

步骤1、将获取的光斑图像转变为256个灰度级的灰度图像G(x,y)，找出其中最大的灰度级G_max；如果210<G_max<240，表明所获取的光斑图像的照明光强是合适的，进行下一步骤；如果G_max>240或G_max<210，则调节扩束准直镜筒的出射光强而重新采集光斑图像；