测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法

摘要

本发明涉及一种测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法，利用分束镜将被测光分成两部分，分别被光功率计和刀锋探测器在扫描过程中同步纪录，在测量开始前用隔离罩将整个测量装置与外界隔离；使用手动三维平台使刀锋探测器的刀锋靠近待测区域，然后使用由计算机程序控制的纳米三维扫描台对光束进行三维扫描；如果被扫描的光束不具有沿光轴方向的旋转对称的强度分布，则旋转刀锋一定角度，重复扫描，直到刀锋旋转了180度为止；使用计算机数据处理系统对测量得到的数据进行重构，得到光束内部强度的三维分布图。设计出适用于测量所有偏振态光强的刀锋，测量小光束内部光强分布不受光偏振状态和光功率波动的影响，适用范围广，稳定性高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学测量技术，特别涉及一种测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法。

背景技术

纵向偏振光在很多领域有着潜在的应用，包括材料加工，数据存储，纳米尺度成像，二次谐波产生和拉曼光谱等，因此产生纯纵向偏振光不断成为目前的研究热点。在真空中产生纯纵向偏振光的可行性已经在理论上被证明，但是由于没有合适的观测方法，到目前为止还有没有被试验验证。

目前有两种商业化的仪器可以测量激光光束强度分布，一种是由Coherent公司研制，使用刀锋扫描的方式，可测量的最小光束尺寸是3微米，而测量纵向偏振光需要测量0.3微米的光束，因此这种仪器无法满足需求；另一种仪器是由Ophiropt公司研制，这用仪器在测量光束形貌前需要将光束放大，这对于横向偏振光没有影响，但是纵向偏振光经过放大后偏振方向就会恢复成横向，失去原有特性，因此这种仪器同样无法满足需求。

有一些研究者尝试使用金属狭缝扫描的方式测量纵向偏振光，但是也遇到了一些问题，主要有三个：首先，光电探测器对于纵向偏振光为主的光束强度表现出非线性响应；其次，纵向偏振光与金属发生作用时产生的表面等离子体是沿着垂直金属表面并向着探测器的方向传播，等离子体产生时的非线性效应会传递给探测器，使得测量结果无法预测；最后一个可能的问题是金属与探测器之间形成了共振腔，纵向偏振光成为了激发源，从而导致探测器产生非线性响应。

发明内容

本发明是针对现有技术无法测量纵向偏振光光强分布的问题，提出了一种测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法，此方法在测量小光束内部光强分布时，不受光偏振状态和光功率波动的影响，适用范围广，稳定性高。

本发明的技术方案为：一种测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法，具体包括如下步骤：

1）在100微米厚的玻璃基片的其中一个表面上镀200纳米厚的铬薄膜，并在薄膜中间位置留出一条没有镀膜的狭缝，其宽度远大于被测光束的横截面尺度，长度与玻璃基片边长相同的狭缝，狭缝的两条边缘为两条刀锋；为了能够探测纵向偏振光的光强分布，光功率计探头表面没有任何保护层，玻璃基片与光功率计探头探测面相贴合，没有镀膜的玻璃基片一面与光功率计探头探测器接触，光功率计探头和镀有铬薄膜的玻璃基片组成刀锋探测器；

2）刀锋探测器固定在旋转平台上，旋转平台又固定在手动三维移动平台上，手动三维移动平台从下到上由三个手动一维移动平台底座平台、平行座平台和竖直座平台组成，底座平台固定在三维纳米移动平台上，旋转平台固定在竖直座平台上；

3）在被探测光束的传播路径上放置一个分束镜，反射光束垂直入射光功率计，反射光强度由光功率计测量，透射光束垂直入射刀锋探测器，透射光强度在扫描过程中由刀锋探测器同步纪录；

4）在测量开始前用隔离罩将整个测量装置与外界隔离；

5）使用手动三维平台使刀锋探测器的刀锋靠近待测区域，然后使用由计算机程序控制的纳米三维扫描台对光束进行三维扫描；

6）如果被扫描的光束不具有沿光轴方向的旋转对称的强度分布，则旋转刀锋一定角度，重复步骤5），直到刀锋旋转了180度为止；

7）扫描结束后，使用计算机数据处理系统对测量得到的数据进行重构，得到光束内部强度的三维分布图。

所述刀锋探测器玻璃基片的尺寸与光功率计探头探测面的尺寸一致，刀锋狭缝的宽度远大于被测光束直径，光功率计探头的面积足够大，使得经过刀锋的光均被功率计探测到。

所述步骤5）三维扫描的步骤为：手动三维移动平台移动到待测区，并设定为起点位置，从起点通过控制三维纳米移动平台沿着上下方向扫过整个光束横截面，回到起点，再沿着前后方向向前移动一步，即靠近测试光一步，重复沿着上下方向扫过整个光束横截面，回到起点，此为完整一次循环扫描，然后使用旋转平台旋转设定角度θ，重复进行循环扫描，直到刀锋旋转180度为止。

本发明的有益效果在于：本发明测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法，方案中刀锋与光功率计探测面之间的距离避免了在测量过程中，金属表面形成等离子体时的非线性效应对测量的影响；刀锋探测器直接对光束进行原位测量，无需对光束进行放大，使得测量结果真实反映了光束内部的强度分布；引入了隔离罩隔离外界震动、气流对于测量的影响；并使用了第二个光功率计在测量的同时监测光束自身的功率波动，避免了由于光束自身功率变化导致的测量噪声，这些技术手段的使用显著提高了测量的精度和稳定性；刀锋探测器的表面没有其它结构或隔离层，因此在测量时不受聚焦光学系统工作距离的限制。

附图说明

图1为本发明基于刀锋探测器测量任意偏振态小光束内部三维光强分布装置的结构示意图；

图2为本发明中刀锋探测器的结构示意图；

图3为本发明中待测光束强度的理论计算分布图；

图4为本发明方法实际测到的光束内部强度分布图。

具体实施方式

图1为本发明基于刀锋探测器的测量任意偏振态小光束内部三维光强分布装置的结构示意图，被测入射光束经过分光镜7分为两束，被反射光束的强度由光功率计8测量；透射的光束被刀锋探测器6测量，刀锋探测器6固定在旋转平台5上，旋转平台5又固定在手动三维移动平台上，手动三维移动平台从下到上由三个手动一维移动平台底座平台2、平行座平台3和竖直座平台4组成，底座平台2固定在三维纳米移动平台1上，旋转平台5固定在竖直座平台4上，所述的手动三维移动平台用于探测器和光束相对位置的粗调；所述的纳米三维移动平台1用于扫描探测器；所述的旋转台5用于旋转刀锋探测器6的角度，以便测量沿光轴方向不具有旋转对称的光束，整个测量系统被隔离罩9覆盖，用于保护测量系统，避免外界干扰导致的测量噪声。

图2是刀锋探测器的结构图，包括光功率计探头61，和镀有铬薄膜63的玻璃基片62组成，带有刀锋的玻璃基片用于扫描被测量光束。利用手动三维移动平台移动到待测区，并设定为起点位置，从起点通过控制三维纳米移动平台1沿着上下方向（图1中x轴方向）扫过整个光束横截面，回到起点，再沿着前后方向（图1中z轴方向）移动一步，重复沿着上下方向（图1中x轴方向）扫过整个光束横截面，回到起点，此为完整一次循环扫描，然后使用旋转平台5旋转设定角度θ，重复进行循环扫描，直到刀锋旋转180度为止。在整个扫描过程中，刀锋探测器6和光功率计8纪录每一步光功率计的度数。扫描完成后，使用计算机程序对数据进行重构，得到光束内部强度的三维分布数据。这里使用的重构计算方法与计算机断层扫描技术所使用的相同，因此不再赘述。

测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法，包括如下步骤：

1）如图2所示刀锋探测器的结构图，刀锋探测器的制作过程：在100微米厚的玻璃基片62的其中一个表面上镀200纳米厚的铬薄膜63，并在薄膜中间位置留出一条没有镀膜的狭缝，其宽度远大于被测光束的横截面尺度，长度与玻璃基片62边长相同的狭缝，狭缝的两条边缘就是两条刀锋；为了能够探测纵向偏振光的光强分布，光功率计探头61表面没有任何保护层，玻璃基片62与光功率计探头61探测面相贴合，没有镀膜的玻璃基片62一面与光功率计探头61探测器接触，光功率计探头61和镀有铬薄膜63的玻璃基片62组成刀锋探测器；

2）按图1所示将刀锋探测器固定好后；

3）在被探测光束的传播路径上放置一个分束镜，分出的一束光的光强由另一个光功率计8在扫描过程中与刀锋探测器同步纪录；

4）在测量开始前用隔离罩将整个测量系统与外界隔离；

5）使用手动三维平台使刀锋探测器的刀锋靠近待测区域，然后使用由计算机程序控制的纳米三维扫描台对光束进行三维扫描；

6）如果被扫描的光束不具有沿光轴方向的旋转对称的强度分布，则需要旋转刀锋一定角度，重复所述操作，直到刀锋旋转了180度为止；

7）扫描结束后，使用计算机数据处理系统对测量得到的数据进行重构，得到光束内部强度的三维分布图。

玻璃基片62的尺寸应与光功率计探头61探测面的尺寸一致，刀锋狭缝的宽度应该远大于光束直径。光功率计探头61的面积应该足够大，使得经过刀锋的光都可以被功率计探测到。

分束镜7不应影响光束的原有特性。

刀锋探测器6的表面应与待测光束光轴垂直。三维扫描的步骤是：首先横向扫描，即沿着垂直于刀锋且平行于刀锋探测器表面的方向扫描光束；然后沿着光轴方向移动一小步，再次进行横向扫描，直到整个待测光束都被扫描为止。

在实施例中，被测光束是由径向偏振光经过二元位像元件调制后，再经过高数值孔径物镜聚焦后在焦点处形成的纵向偏振光主导的光束，它的理论强度分布如图3所示。使用本发明对实际光束进行测量后的结果如图4所示。通过对比可以看出，试验结果与理论计算结果一致性很好；从图4中可以看出，测量结果的空间分辨率很高，优于1/4波长。此实例证明了本发明中提出的基于刀锋探测器的测量任意偏振态小光束内部三维光强分布的方法可行，有效。

在扫描过程中，为了减少环境变化以及空气流动引入的噪声，整个测量系统需要放置于隔震光学平台上，并至于硬质材料制成的罩子中，罩子体积要尽量小，对外部开口只要能通过必要的电源、信号线即可。

在扫描过程中，为了减少光源自身输出功率波动的影响，需要监测光源实际功率的数值，用于矫正测量数据。