專利名稱：一種超短脈沖激光掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器(Acoustic-Optical Deflector，AOD)具有色散補(bǔ)償功能的超短脈沖激光掃描裝置，它適用于飛秒激光存儲、成像和激光微加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
使用聲光偏轉(zhuǎn)器對激光進(jìn)行掃描是一種非常有前途的激光掃描技術(shù)。尤其適用于飛秒激光存儲、成像和激光微加工等領(lǐng)域。但使用聲光偏轉(zhuǎn)器掃描超短脈沖激光時，激光束會產(chǎn)生空間色散和時間色散，從而影響到多光子的激發(fā)效率。因此，在使用聲光偏轉(zhuǎn)器掃描超短脈沖時，必須對空間色散和時間色散進(jìn)行補(bǔ)償。
目前關(guān)于補(bǔ)償方法已經(jīng)有較多的文章和專利。R.Salomé在“Ultra-fastrandom-access scanning in two-photon microscopy using acousto-optic deflectors”中使用一個聲光調(diào)制器斜向45度放置同時補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散。對于時間色散，則另使用一對棱鏡進(jìn)行補(bǔ)償。如此設(shè)計光路顯得較為復(fù)雜。中國專利“一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置”(專利申請?zhí)?00510019130.0)。該專利提到在光路中將一個棱鏡斜向45度放置在二維聲光偏轉(zhuǎn)器前適當(dāng)距離處，可以同時實現(xiàn)對二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散補(bǔ)償和時間色散補(bǔ)償。本發(fā)明裝置使用一個聲光調(diào)制器取代上述中國專利中的棱鏡，放置在二維聲光偏轉(zhuǎn)器前適當(dāng)位置處，同樣可以取得較好的效果，和前兩者相比具有光路結(jié)構(gòu)簡單，避免精確調(diào)節(jié)棱鏡入射角等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超短脈沖激光掃描裝置，該裝置可以同時、準(zhǔn)確的對激光束的空間色散和時間進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明提供的一種超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于該裝置包括位于同一光路上的聲光調(diào)制器和二維聲光偏轉(zhuǎn)器，所述二維聲光偏轉(zhuǎn)器由正交放置的兩個聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成，其中一個聲光偏轉(zhuǎn)器與聲光調(diào)制器的夾角為45±5或135±5度。
本發(fā)明裝置可以同時補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器引入的空間色散和時間色散，提高激光束的聚焦質(zhì)量和多光子激發(fā)效率，光路簡單便于調(diào)節(jié)，且激光束在系統(tǒng)中的透過率高。適用于飛秒激光存儲、成像和激光微加工等領(lǐng)域，特別適用于激光束的隨機(jī)掃描，方便工業(yè)的大范圍推廣應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明二維掃描裝置的一種結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2(a)為圖1的左視圖，圖2(b)、2(c)、2(d)為可以實現(xiàn)相同功能的不同結(jié)構(gòu)。
圖3為激光器出射的激光經(jīng)聲光調(diào)制器補(bǔ)償色散后通過二維聲光偏轉(zhuǎn)器直接打在光屏上測量光斑形狀的實驗光路。
圖4為激光器出射的激光經(jīng)二維聲光偏轉(zhuǎn)器后直接打在光屏上測量光斑形狀的實驗光路。
圖5(a)為經(jīng)過聲光調(diào)制器補(bǔ)償后的光斑，(b)為未經(jīng)過聲光調(diào)制器補(bǔ)償?shù)墓獍撸?c)前兩種結(jié)構(gòu)下光斑邊緣的比較圖。從對比圖中可以看出，空間色散補(bǔ)償效果明顯。
圖6為不同狀態(tài)下超短脈沖激光的時間半寬圖。初始脈寬為120飛秒的脈沖激光在經(jīng)過兩個聲光偏轉(zhuǎn)器后(如圖4裝置)被展寬為572飛秒，經(jīng)聲光調(diào)制器補(bǔ)償后(如圖3裝置)脈沖寬度被壓回到128飛秒。
圖7為整個系統(tǒng)在二維聲光偏轉(zhuǎn)器不同頻率點的透過效率，整個系統(tǒng)透過率在50％～70％。
圖8為使用補(bǔ)償好的光路搭建成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為使用圖8所示光路搭建顯微鏡掃描得到的170納米熒光小球全場掃描圖片。
圖10為以170納米小球為樣品對所搭建的顯微鏡作X、Y、Z軸分辨率測量的結(jié)果。
圖11為在聲光調(diào)制器1后設(shè)置一對共焦透鏡的等價結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為將聲光調(diào)制器1橫向放置的其中一種結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1、2(a)所示，本發(fā)明裝置包括位于同一光路上的聲光調(diào)制器(Acoustic-Optical Modulator，AOM)1和二維聲光偏轉(zhuǎn)器，二維聲光偏轉(zhuǎn)器由正交放置的兩個聲光偏轉(zhuǎn)器2和3構(gòu)成。聲光偏轉(zhuǎn)器2和3與聲光調(diào)制器1夾角為45±5度或135±5度。在聲光調(diào)制器1與聲光偏轉(zhuǎn)器2和3夾角均為45度或135度時色散補(bǔ)償效果更好。當(dāng)聲光調(diào)試器1使用正一級光衍射時，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用負(fù)一級衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器1使用負(fù)一級衍射光時，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用正一級衍射光。
除了上述結(jié)構(gòu)外，以下三種結(jié)構(gòu)均可以達(dá)到同樣目的，如圖2(b)、2(c)、2(d)所示。當(dāng)使用圖2(b)所示結(jié)構(gòu)時，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用正一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用負(fù)一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用正一級衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器1使用負(fù)一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用正一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用負(fù)一級衍射光。當(dāng)使用圖2(c)所示結(jié)構(gòu)時，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用正一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用正一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用負(fù)一級衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器1使用負(fù)一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用負(fù)一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用正一級衍射光。當(dāng)使用圖2(d)所示結(jié)構(gòu)時，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用正一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用正一級衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器1使用負(fù)一級衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用負(fù)一級衍射光。在搭建光路時可以根據(jù)實際情況選擇合適方案。
聲光調(diào)制器1的調(diào)制頻率為fAOM，fAOM＝f+10％f，可以補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散。fAOM越大，空間補(bǔ)償量越大，在調(diào)制頻率fAOM＝f時空間補(bǔ)償效果最優(yōu)。f滿足公式I要求f＝fAOD(I)
其中fAOD為單個聲光偏轉(zhuǎn)器工作時的中心頻率。
設(shè)聲光調(diào)制器1到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為D，D＝L±10％L。調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器1到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距D可以調(diào)節(jié)時間色散的補(bǔ)償量，兩者呈正比關(guān)系。當(dāng)聲光調(diào)制器1到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距大于L時會引入負(fù)的時間色散，在間距D為L時，完全補(bǔ)償時間色散。L滿足公式II要求，L=GDDM2πc2λ3(v2fAOD)2---(II)]]>其中GDDM為光路中所有材料引入的群延時色散，fAOD為聲光偏轉(zhuǎn)器工作的中心頻率，λ為入射激光光波的波長，c為光速，ν為超聲波在聲光調(diào)制器的聲光晶體中的傳播速度。
在使用二維聲光偏轉(zhuǎn)器對超短短脈沖激光進(jìn)行掃描時，本裝置可以準(zhǔn)確的補(bǔ)償由于使用聲光偏轉(zhuǎn)器掃描超短脈沖激光時引入的空間色散和時間色散。最大透過效率與使用棱鏡補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾纫?0％。
實例1如圖3搭建試驗光路。激光器4入射激光(中心波長800納米，帶寬10納米，初始脈寬120飛秒)經(jīng)過斜向45度放置的聲光調(diào)制器1，以負(fù)一級衍射光出射，聲光調(diào)制器1的調(diào)制頻率為135.7MHz。因本實驗用聲光偏轉(zhuǎn)器對入射光偏振態(tài)敏感，故在聲光調(diào)制器1與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)置1/2波片5。激光束經(jīng)1/2波片5后到中心工作頻率為96MHz的二維聲光偏轉(zhuǎn)器。二維聲光偏轉(zhuǎn)器均使用正一級衍射光，出射光打在光屏6上，使用CCD 7拍攝光屏上的光斑得到如圖5(a)所示的結(jié)果。而激光束沒有經(jīng)過補(bǔ)償直接通過二維聲光偏轉(zhuǎn)器打到光屏6上(如圖4所示)拍攝得到的光斑如圖5(b)所示，其空間補(bǔ)償效果對比可從圖5(c)中看出。
聲光調(diào)制器1與聲光二維偏轉(zhuǎn)器2，3的間距D為58厘米，微調(diào)D使經(jīng)過補(bǔ)償系統(tǒng)后激光脈沖的時間寬度壓回到128飛秒。而將原始激光的脈沖直接經(jīng)過加電的兩個聲光偏轉(zhuǎn)器后測量得到脈沖寬度為572飛秒，其時間補(bǔ)償效果對比可以從圖6看出。
對本發(fā)明裝置在聲光偏轉(zhuǎn)器工作在不同頻率點下對激光束的透過效率進(jìn)行測定，得到圖7所示實驗結(jié)果。整個系統(tǒng)透過率在50％～70％。
實例2把空間和時間都補(bǔ)償好后的激光束導(dǎo)入顯微鏡物鏡8(實驗使用60倍油鏡，NA＝1.24)，光路如圖8所示。使用二色鏡9反射激發(fā)光和透過信號光，利用PMT 10進(jìn)行信號探測。掃描170納米熒光小球樣品11得到實驗圖片如圖9所示，分析X、Y軸分辨率，測得分別為374和385納米，如圖10(a)、10(b)所示。使用PZT做Z軸分辨率測量，得到Z軸最小分辨率為1.1微米，如圖10(c)所示。
對于聲光調(diào)制器1，其調(diào)制頻率往往較高(如補(bǔ)償一個中心工作頻率為96MHz的二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散，聲光調(diào)制器1的調(diào)制頻率需要加載到135.74MHz)。對于近紅外或紅外激光，制作一個調(diào)制頻率較高的聲光調(diào)制器技術(shù)上存在一些困難。我們可以選用一個調(diào)制頻率較低的聲光調(diào)制器1和一組共焦透鏡(12、13)，可以實現(xiàn)同樣的補(bǔ)償效果。具體實施方法如圖11所示，沿光路方向，在聲光調(diào)制器1與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間依次設(shè)置共焦的第一、第二透鏡12、13。第一透鏡12焦距為f1，第二透鏡13的焦距f2，聲光調(diào)制器1位于第一透鏡12的前焦點F1處，聲光調(diào)制器1的頻率為fAOM’，fAOM’滿足公式III要求。
fAOM′＝f2/f1fAOM(III)二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡13的后焦點F2’相距D的位置。聲光調(diào)制器使用的衍射光級次與不使用公交透鏡組時的衍射光級次符號相反。此等價光路結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)使用一個調(diào)制頻率較低的聲光調(diào)制器補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散，取得同樣的補(bǔ)償效果。這使得該裝置的具體實施較為容易。
聲光調(diào)制器1通常與水平面呈45度夾角放置(如圖1和2(a)所示)。由于聲光調(diào)制器入射光與衍射光可能不共軸，上述結(jié)構(gòu)中光束出射聲光調(diào)制器1后其高度可能會發(fā)生變化，這不便于系統(tǒng)設(shè)計和集成封裝。若將聲光調(diào)制器1水平方向放置(如圖12所示)，后面的二維聲光偏轉(zhuǎn)器與水平面呈45±5度夾角，此時光路中光束高度不變，這會方便光路的搭建。
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于該裝置包括位于同一光路上的聲光調(diào)制器(1)和二維聲光偏轉(zhuǎn)器，所述二維聲光偏轉(zhuǎn)器由正交放置的兩個聲光偏轉(zhuǎn)器(2、3)構(gòu)成，其中一個聲光偏轉(zhuǎn)器與聲光調(diào)制器(1)的夾角為45±5或135±5度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于其中一個聲光偏轉(zhuǎn)器與聲光調(diào)制器(1)的夾角為45或135度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于聲光調(diào)制器(1)水平方向放置，二維聲光偏轉(zhuǎn)器與水平面呈45±5度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于當(dāng)二個聲光偏轉(zhuǎn)器(2、3)相同時，聲光調(diào)制器(1)的頻率fAOM＝f±10％f，其中，f滿足公式(I)要求f＝fAOD(I)式(I)中fAOD為單個聲光偏轉(zhuǎn)器工作時的中心頻率；聲光調(diào)制器(1)到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距D，D＝L±10％L，其中L滿足公式(II)要求，L=GDDM2πc2λ3(v2fAOD)2---(II)]]>式(II)中GDDM為光路中所有材料引入的群延時色散，λ為入射激光光波的波長，c為光速，v為超聲波在聲光調(diào)制器(1)晶體中的傳播速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于當(dāng)二個聲光偏轉(zhuǎn)器(2、3)相同時，聲光調(diào)制器(1)的頻率fAOM＝f±10％f，其中，f滿足公式(I)要求f＝fAOD(I)式(I)中fAOD為單個聲光偏轉(zhuǎn)器工作時的中心頻率；聲光調(diào)制器(1)到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距D，D＝L±10％L，其中L滿足公式(II)要求，L=GDDM2πc2λ3(v2fAOD)2---(II)]]>式(II)中GDDM為光路中所有材料引入的群延時色散，λ為入射激光光波的波長，c為光速，ν為超聲波在聲光調(diào)制器(1)晶體中的傳播速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于沿光路方向，在聲光調(diào)制器(1)與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間依次設(shè)置共焦的第一、第二透鏡(12、13)；第一透鏡(12)焦距為f1，第二透鏡(13)的焦距f2，聲光調(diào)制器(1)位于第一透鏡(12)的前焦點F1處，聲光調(diào)制器(1)的頻率為fAOM’，fAOM’滿足公式III要求fAOM′＝f2/f1 fAOM(III)二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡(13)的后焦點F2’相距D的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超短脈沖激光掃描裝置，其特征在于沿光路方向，在聲光調(diào)制器(1)與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間依次設(shè)置共焦的第一、第二透鏡(12、13)；第一透鏡(12)焦距為f1，第二透鏡(13)的焦距f2，聲光調(diào)制器(1)位于第一透鏡(12)的前焦點F1處，聲光調(diào)制器(1)的頻率為fAOM’，fAOM’滿足公式III要求fAOM′＝f2/f1 fAOM(III)二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡(13)的后焦點F2’相距D的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超短脈沖激光掃描裝置。它包括位于同一光路上的聲光調(diào)制器和二維聲光偏轉(zhuǎn)器，二維聲光偏轉(zhuǎn)器由正交放置的兩個聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成，聲光偏轉(zhuǎn)器與聲光調(diào)制器夾角為45±5度。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率為f
文檔編號G02F1/33GK1971335SQ20061012522
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者駱清銘, 曾紹群, 畢昆, 呂曉華, 薛松超, 吳萍 申請人:華中科技大學(xué)