[发明专利]一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统及实验方法

权利要求书

1.一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其包括偏振分束器A、偏振分束器B，所述偏振分束器A被布置为使一束激光分成偏振方向互相垂直的两束光，偏振分束器B被布置为将所述偏振分束器A分成的两束光进行重合，其特征在于，偏振分束器A固定设置，所述偏振分束器B连接设置在纳米压电促动器上，以便使所述偏振分束器B在所述纳米压电促动器的驱动下实现三维运动，进而使得所述偏振分束器B发生偏转，从而实现两束光发生一定的偏移，使锁相放大器接收到的Vin信号产生变化，对采集到的信号进行数值拟合，即可得到光斑的聚焦直径；

所述偏振分束器B安装于万向光学调整架上，万向光学调整架的下方与两个纳米压电促动器相连，从而使偏振分束器B能够在三维空间内偏转；偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，即可使两束光发生与之对应的偏移；

还包括延迟台，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为对样品产生激发的泵浦光和感受样品表面的变化并被反射和接受的探测光，所述延迟台负责控制泵浦光和探测光产生连续的延迟时间；在测量光斑直径时，所述延迟台不工作；在做除光斑直径外的测量时，压电促动器不工作；水平方向内的光斑偏移与纳米促动器运行的步数呈正比例关系，通过设置每次测量间纳米促动器运行的步数即可控制每次测量间的光斑偏移；在测量时，通过设定每次采样之间纳米促动器的前进步数，从而得到特定的光斑偏移，通过Labview控制策略采集并记录探测光反射信号随激光偏移距离的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其特征在于：还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器、光电探测器和聚焦物镜，其中，所述偏振分束器A、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束器的镜面角度均平行设置，所述偏振分束器A分成偏振方向互相垂直的两束光分别为光束一和光束二，所述光束一经过所述第一反射镜发射至所述分束器，所述光束二经过第二反射镜发射至所述第三反 射镜，且光束二经过第三反 射镜发射至所述偏振分束器B，所述分束器、光电探测器、偏振分束器B和聚焦物镜处于同一水平直线上，且所述分束器位于所述光电探测器与所述偏振分束器B之间，所述聚焦物镜位于所述偏振分束器B与所述聚焦物镜之间，样品位于所述聚焦物镜的光束传输方向一侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统，其特征在于：还包括对信号进行采集的锁相放大器，锁相放大器的同相信号Vin，同相信号Vin与两束光的偏移存在以下拟合关系：

其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅。

4.一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统的实验方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)将各个器件安装调试好，使偏振分束器B偏转的角度与纳米压电促动器的运转步数呈正比，两束光的中心距与偏振分束器B偏转的角度成正比，通过控制一个纳米促动器运转，使偏振分束器B在水平方向内产生偏转，以便使两束光发生与之对应的偏移；

(2)测量：利用Labview控制策略编程，实现对光斑偏移的连续控制和对应的数据采集，通过校准获得不同聚焦情况下单位光斑偏移对应的纳米促动器步数，纳米促动器步数的单位为steps/μm，通过设置每次测量间的步数便可控制每次测量间的光斑偏移，为了保证采集数据的准确性，每一个位置都进行多次采样取其平均值的方法，最大程度消除测量的误差；

(3)开始测量后，促动器先推动偏振分束器B进行一个预先的大偏转，使两束光完全不重合，之后进行采样，采样5次之后输出一个数值，之后纳米促动器按照设置步数运转，使两束光的中心接近0.5μm，采样5次后输出一个数值，这样循环下去，两束光会经历互相重合又互相偏移的过程，这样，在不同偏移下的信号强度就都能采集到了；

(4)拟合：将采集得到的信号进行拟合(拟合公式为其中，Vin为锁相放大器的同相信号，x0表示引入的由于纳米促动器工作的不稳定性导致的误差，ω0为光斑的聚焦直径，x是两束光的偏移，A为振幅；

通过origin拟合，基于最小二乘法的原理，可以同时获得公式中的未知参数；

该方法采用权利要求1-3任意一项所述的基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统。