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：
本實(shí)用新型屬于激光掃描技術(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(chǔ)、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(duì)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(chǔ)、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(shí)，激光束會(huì)產(chǎn)生空間色散和時(shí)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(shí)，必須對(duì)空間 色散和時(shí)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.Salom6在"Ultra-fast random-access scanning in two-photon microscopy using acousto-optic deflectors " ( J Neurosci Methods. 2006 Jun 30; 154(1-2): 161-174)(基于聲 光偏轉(zhuǎn)器的雙光子顯微鏡超快隨機(jī)掃描，《神經(jīng)科學(xué)方法雜志》，2006年154 巻161-174頁(yè))中使用一個(gè)聲光調(diào)制器斜向45度放置同時(shí)補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn) 器的空間色散。對(duì)于時(shí)間色散，則另使用一對(duì)棱鏡進(jìn)行補(bǔ)償。如此設(shè)計(jì)光路 顯得較為復(fù)雜。中國(guó)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(qǐng)?zhí)?00510019130.0)。該專利提到在光路中將一個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色 散補(bǔ)償和時(shí)間色散補(bǔ)償。本實(shí)用新型裝置使用一個(gè)聲光調(diào)制器取代上述中國(guó) 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(jiǎn)單，避免精確調(diào)節(jié)棱鏡入射角等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型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(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)激光束的空間色散和時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。
本實(shí)用新型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(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成，其中一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器與聲光調(diào)制器的夾角為45 ±5或135±5度。本實(shí)用新型裝置可以同時(shí)補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器引入的空間色散和時(shí)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(jiǎn)單便于調(diào)節(jié)，且激光束 在系統(tǒng)中的透過(guò)率高。適用于飛秒激光存儲(chǔ)、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為本實(shí)用新型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(shí)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(guò)二維聲光偏轉(zhuǎn)器直 接打在光屏上測(cè)量光斑形狀的實(shí)驗(yàn)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(cè)量光斑形 狀的實(shí)驗(yàn)光路。圖5 (a)為經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器補(bǔ)償后的光斑，(b)為未經(jīng)過(guò)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(duì)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(shí)間半寬圖。初始脈寬為120飛秒的脈 沖激光在經(jīng)過(guò)兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)在二維聲光偏轉(zhuǎn)器不同頻率點(diǎn)的透過(guò)效率，整個(gè)系統(tǒng)透過(guò) 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(chǎng)掃 描圖片。圖IO為以170納米小球?yàn)闃悠穼?duì)所搭建的顯微鏡作X、 Y、 Z軸分辨率測(cè)
量的結(jié)果。圖11為在聲光調(diào)制器1后設(shè)置一對(duì)共焦透鏡的等價(jià)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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1、 2 (a)所示，本實(shí)用新型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(gè)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(shí)色散補(bǔ)償效果更好。當(dāng)聲光調(diào)試器1使用正一級(jí)光衍射時(shí)，聲 光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用負(fù)一級(jí)衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器l使用負(fù)一級(jí)衍射光時(shí)， 聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用正一級(jí)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(shí)，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用正一級(jí)衍射光， 聲光偏轉(zhuǎn)器2使用負(fù)一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用正一級(jí)衍射光；當(dāng)聲光調(diào) 制器l使用負(fù)一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用正一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使 用負(fù)一級(jí)衍射光。當(dāng)使用圖2 (c)所示結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用正一級(jí)衍 射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用正一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器3使用負(fù)一級(jí)衍射光；當(dāng) 聲光調(diào)制器1使用負(fù)一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2使用負(fù)一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn) 器3使用正一級(jí)衍射光。當(dāng)使用圖2 (d)所示結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)聲光調(diào)制器1使用 正一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用正一級(jí)衍射光；當(dāng)聲光調(diào)制器l使用 負(fù)一級(jí)衍射光，聲光偏轉(zhuǎn)器2和3均使用負(fù)一級(jí)衍射光。在搭建光路時(shí)可以根 據(jù)實(shí)際情況選擇合適方案。聲光調(diào)制器1的調(diào)制頻率為fA0M ， 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(shí)空間補(bǔ)償效果最優(yōu)。f滿足公式I要求其中fAOD為單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器工作時(shí)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(shí)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(shí)會(huì)引入負(fù)的時(shí)間色散， 在間距D為L(zhǎng)時(shí)，完全補(bǔ)償時(shí)間色散。L滿足公式II要求，<formula>formula see original document page 7</formula>敵(II)其中GDDM為光路中所有材料引入的群延時(shí)色散，fAOD為聲光偏轉(zhuǎn)器工作的中心頻率，A為入射激光光波的波長(zhǎng)，c為光速，v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(duì)超短短脈沖激光進(jìn)行掃描時(shí)，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(shí)引入的空間色散和時(shí)間色散。最大透過(guò)效率與使用棱鏡補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾纫?0% 。實(shí)例1如圖3搭建試驗(yàn)光路。激光器4入射激光(中心波長(zhǎng)800納米，帶寬10 納米，初始脈寬120飛秒)經(jīng)過(guò)斜向45度放置的聲光調(diào)制器1，以負(fù)一級(jí)衍射 光出射，聲光調(diào)制器1的調(diào)制頻率為135.7MHz。因本實(shí)驗(yàn)用聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)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(jí)衍射光，出射光打在光屏6上，使用CCD7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(méi)有經(jīng)過(guò)補(bǔ)償直接通過(guò)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(duì)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(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)后激光脈沖的時(shí)間寬度壓回到128飛秒。而將原始激光的脈沖直接 經(jīng)過(guò)加電的兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器后測(cè)量得到脈沖寬度為572飛秒，其時(shí)間補(bǔ)償效果 對(duì)比可以從圖6看出。對(duì)本實(shí)用新型裝置在聲光偏轉(zhuǎn)器工作在不同頻率點(diǎn)下對(duì)激光束的透過(guò)效
率進(jìn)行測(cè)定，得到圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)透過(guò)率在50% 70%。 實(shí)例2把空間和時(shí)間都補(bǔ)償好后的激光束導(dǎo)入顯微鏡物鏡8 (實(shí)驗(yàn)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(guò)信號(hào)光， 利用PMT 10進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。掃描170納米熒光小球樣品11得到實(shí)驗(yàn)圖片如圖 9所示，分析X、 Y軸分辨率，測(cè)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(cè)量，得到Z軸最小分辨率為l.l微米， 如圖10 (c)所示。對(duì)于聲光調(diào)制器1，其調(diào)制頻率往往較高(如補(bǔ)償一個(gè)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(duì)于近紅外或紅外激光，制作一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)同樣的補(bǔ)償效果。具體實(shí)施方法如圖ll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fl，第二透鏡13的焦距G，聲光調(diào)制器1位于第一透鏡12的前焦點(diǎn)F,處，聲光調(diào)制器1的頻率為fA0M'， fAOM'滿足公式III要求。二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡13的后焦點(diǎn)F2'相距D的位置。聲光調(diào)制 器使用的衍射光級(jí)次與不使用公交透鏡組時(shí)的衍射光級(jí)次符號(hào)相反。此等價(jià)光 路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)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(shí)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(huì)發(fā)生變化，這不便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)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士5度夾 角，此時(shí)光路中光束高度不變，這會(huì)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(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器(2、3)構(gòu)成，其中一個(gè)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(gè)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(l)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(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器(2、 3)相同時(shí)，聲光調(diào)制器(1)的頻率fAOM二f士10。/。f，其中，f滿足公式(I)要求<formula>formula see original document page 2</formula>式(I)中fAOD為單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器工作時(shí)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，<formula>formula see original document page 2</formula>式(II)中GDDM為光路中所有材料引入的群延時(shí)色散，^為入射激光光 波的波長(zhǎng)，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(gè) 聲光偏轉(zhuǎn)器(2、 3)相同時(shí)，聲光調(diào)制器(1)的頻率fAOM二f土10。/。f，其中，f滿足公式(I)要求f,0D (I)式(I)中fAOD為單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器工作時(shí)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，<formula>formula see original document page 3</formula>(II)式(II)中GDDM為光路中所有材料引入的群延時(shí)色散，A為入射激光光 波的波長(zhǎng)，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。
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fl，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(diǎn)F,處，聲光調(diào)制器(1)的頻率為fAOM，， fAOM，滿足公式HI要求二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡(13)的后焦點(diǎn)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fl，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(diǎn)F,處，聲光調(diào)制器(1)的頻率為fAOM', fAOM'滿足公式HI要求(III)二維聲光偏轉(zhuǎn)器位于與第二透鏡(13)的后焦點(diǎn)F2，相距D的位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)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(gè)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_AOM＝f±10％f到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的間距D＝L±10％L。在使用聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)激光進(jìn)行二維掃描時(shí)，本裝置可以較好的補(bǔ)償由于使用聲光偏轉(zhuǎn)器掃描超短脈沖激光束時(shí)引入的空間色散和時(shí)間色散。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路易于調(diào)節(jié)，適用于飛秒激光存儲(chǔ)、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。
文檔編號(hào)G02B26/10GK201017131SQ200620163349
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者呂曉華, 萍 吳, 曾紹群, 昆 畢, 薛松超, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)