專利名稱：可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域。涉及可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光 光斑輸出的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自從1960年第一臺(tái)激光器誕生以來，這種高亮度、方向性和相干性好的光源被迅 速應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如激光加工、激光精密測(cè)量與定位、激光全息術(shù)、光信息處理、 光通訊以激光計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。大大加速了世界科技及工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會(huì) 進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。全球科技工作者對(duì)各種性能的激光本身及其應(yīng)用的研究正方 興未艾，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究也獲得了豐碩成果，并擁有一定的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
激光光束為高斯光束，根據(jù)激光光束在各種不同介質(zhì)中的傳輸形式和傳輸規(guī)律， 可設(shè)計(jì)并研制出具有特定功能的激光光學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)其在應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。 其中，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種能對(duì)這種高斯光束進(jìn)行靈活準(zhǔn)直、聚焦、精確定位并獲得 亞微米直徑的微小光斑，將在激光微加工、精密動(dòng)態(tài)定位、激光熱輔助等領(lǐng)域具有極 其重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑 輸出的方法，以及基于此方法的光機(jī)電一體化實(shí)用激光光學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)一 定頻率的激光光束在XY平面上的靈活調(diào)節(jié)與精確定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑在Z軸方 向上的精確聚焦以獲得亞微米直徑光斑及較高的功率密度。
本發(fā)明所述的可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出的方 法，是利用宏微結(jié)合的三維納米精密移動(dòng)臺(tái)[三維宏動(dòng)臺(tái)分辨率為l.O!ini(X) X1.0 nm (Y) X1.0um (Z)，最大行程為5mm (X) X5mm (Y) X IOO鵬(Z);三維微動(dòng)臺(tái) 分辨率為3. Onm (X) X3. Onm (Y) X2. 5咖(Z)，最大行程為30um (X) X30jim (Y) X25um (Z)]及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的跟蹤伺服(實(shí)現(xiàn)在XY 平面上的激光束精確定位)，以及Z軸方向上的聚焦伺服(實(shí)現(xiàn)在Z軸方向上的精確聚 焦)，通過精密可調(diào)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光器輸出的lmm直徑(發(fā)散角小于0.7mrad)的激光
3束進(jìn)行調(diào)節(jié)(其中，系統(tǒng)中的平場(chǎng)物鏡放大倍數(shù)為40倍，數(shù)值孔徑為0.6，工作距離 為3.7±0.2 mm)，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位精度下的可控亞微米(0.5 2um)直徑激光光斑 的輸出。
上述的整個(gè)裝置(如圖1和圖2所示)主要由光學(xué)系統(tǒng)(包括激光光源、分束器、 聚焦系統(tǒng)及高分辨CCD探測(cè)器等部件)、機(jī)械伺服系統(tǒng)(宏微結(jié)合的三維納米精密位移 平臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng))以及計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成。所述三部分的基 本特征與主要功能如下].)光學(xué)系統(tǒng)主要對(duì)激光器(如波長(zhǎng)為405nm的半導(dǎo)體藍(lán)紫 激光器)發(fā)射的直徑約lmra (發(fā)散角小于0.7mrad)的激光束進(jìn)行分束、準(zhǔn)直、聚焦并 探測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束位置和光斑的尺寸及能量的實(shí)時(shí)調(diào)控與監(jiān)測(cè)；2)機(jī)械伺服系統(tǒng) 主要對(duì)輸出激光束傳輸系統(tǒng)進(jìn)行納米級(jí)定位精度下的方位調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最終輸出激光 光斑的跟蹤伺服和聚焦伺服；3)計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為以上兩部分的控制中心， 具有數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)控制功能，以確保實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)按照指令運(yùn)行，確保獲得 納米級(jí)定位精度下的亞微米直徑激光光斑的輸出。
本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于通過可調(diào)精密光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光器輸出的約 lmm直徑(發(fā)散角小于0.7mrad)的激光束進(jìn)行精密可控調(diào)節(jié)，并在高分辨CCD監(jiān)控下 (成像單元為1/2英寸，有效像素為1620X1236)，利用宏微結(jié)合的三維納米精密移動(dòng) 臺(tái)驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，先由運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)三維微米移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)程宏動(dòng)尋的，然后轉(zhuǎn)換 驅(qū)動(dòng)三維納米精密移動(dòng)臺(tái)漸近尋的，最終實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的跟蹤伺服和Z軸方向的聚焦 伺服。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出0. 5~2微米的聚焦激光光斑在X、 Y、 Z軸方向的納米級(jí)精確 定位。


圖1是根據(jù)本發(fā)明原理研制的光機(jī)電一體化系統(tǒng)I原理示意圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明原理研制的光機(jī)電一體化系統(tǒng)II原理示意圖。 圖3使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)I在商用磁頭上的聚焦定位測(cè)試照片。
圖4使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)II對(duì)波長(zhǎng)為405nm、光束直徑約為lmm (發(fā)散角小于0. 7mrad) 的藍(lán)紫激光束聚焦定位測(cè)試照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1結(jié)合圖1，進(jìn)一步描述本發(fā)明，圖1為光機(jī)電一體化系統(tǒng)I原理示意圖。①為半導(dǎo) 體激光器，輸出波長(zhǎng)為405nm的藍(lán)紫色激光，輸出功率0 55mW可調(diào)；經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)②后， 可輸出直徑約為lmm的激光光束，發(fā)散角小于0.7mrad;激光束經(jīng)70%反射鏡 后，反 射光入射到10X可調(diào)顯微鏡筒④中；出射光束經(jīng)1000X激光聚焦鏡⑤聚焦到接收器⑥ 上；再經(jīng)⑥反射后，反射光依次經(jīng)過顯微鏡筒④、3CE透射鏡③、聚焦系統(tǒng)⑧，成像于 高分辨CCD探測(cè)器⑨上(其成像單元為1/2英寸，有效像素為1620X1236);通過數(shù)據(jù) 線將CCD獲得的數(shù)據(jù)圖像呈于電腦⑩顯示器上；實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析， 經(jīng)電腦發(fā)出指令，通過三維宏微結(jié)合納米移動(dòng)臺(tái)⑦，驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)④和⑤，實(shí)時(shí)地實(shí) 現(xiàn)對(duì)激光束在接收器⑥的XY平面內(nèi)的精確定位(即跟蹤伺服)和在Z軸方向上的精確 聚焦(即聚焦伺服)。從而確保獲得納米級(jí)定位精度下的亞微米直徑(0.5 2wm)激光 光斑的穩(wěn)定輸出。
實(shí)驗(yàn)中，采用本發(fā)明研制的系統(tǒng)I對(duì)商用磁盤檢測(cè)系統(tǒng)Guzik的下磁頭進(jìn)行了聚 焦定位測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，獲得了聚焦光斑直徑小于2ym的激光光斑。
實(shí)施例2
結(jié)合圖2進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖2為光機(jī)電一體化系統(tǒng)II原理示意圖。①為半導(dǎo) 體激光器，輸出波長(zhǎng)為405皿的藍(lán)紫色激光，輸出功率(T55mW可調(diào)；經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)②后， 可輸出直徑約為lmra的激光光束，發(fā)散角小于0.7mrad;激光束經(jīng)全反射鏡③'后，反 射光入射到70%透射30%反射分束鏡@''上；出射光束經(jīng)40X放大的無限遠(yuǎn)共軛平場(chǎng) 物鏡⑤(其數(shù)值孔徑為0.6，工作距離為3.7土0.2mm)聚焦到接收器⑥上；再經(jīng)⑥反 射后，反射光再經(jīng)過70%透射30%反射分束鏡@''反射，成像于高分辨CCD探測(cè)器⑨ 上(其成像單元為1/2英寸，有效像素為1620X1236);通過數(shù)據(jù)線將CCD獲得的數(shù)據(jù) 圖像呈于電腦⑩顯示器上；實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析，經(jīng)電腦發(fā)出指令，通 過三維宏微結(jié)合納米移動(dòng)臺(tái) ，驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)③''和⑤'，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束在 接收器⑥的XY平面內(nèi)的精確定位(即跟蹤伺服)和在Z軸方向上的精確聚焦(即聚焦 伺服)。從而確保獲得納米級(jí)定位精度下的亞微米直徑(0.5 2ym)激光光斑的穩(wěn)定輸 出。
與實(shí)施方式一比較，實(shí)施方式二的光學(xué)系統(tǒng)作了簡(jiǎn)化，主要是為了在輸入激光條 件不變的情況下，盡量減少光學(xué)元件對(duì)405nm激光的吸收，最終在接收器⑥上可以獲得更高的輸出功率。同時(shí)采用了無限遠(yuǎn)共軛平場(chǎng)物鏡⑤，CCD成像鏡筒前后為一塊平凸 透鏡和一塊平凹透鏡，鏡筒通過一個(gè)C型的轉(zhuǎn)接環(huán)接在CCD上，可對(duì)平行光成像。無 限遠(yuǎn)共軛平場(chǎng)物鏡、前置成像鏡筒及高分辨CCD探測(cè)器，三者構(gòu)成一套無限遠(yuǎn)共軛顯 微成像系統(tǒng)。因此，在無限遠(yuǎn)共軛平場(chǎng)物鏡⑤的約3.7土0.2mra的工作距離上，能同時(shí) 實(shí)現(xiàn)聚焦和成像，從而使實(shí)驗(yàn)人員能實(shí)時(shí)調(diào)控激光光斑的聚焦?fàn)顩r，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位 精度下的亞微米直徑(0.5 2um)激光光斑的穩(wěn)定輸出。
實(shí)驗(yàn)中，采用本發(fā)明研制的系統(tǒng)II對(duì)波長(zhǎng)為405nm、光束直徑約為lmm (發(fā)散角 小于0.7mrad)的藍(lán)紫激光束聚焦定位測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，獲得了聚焦光斑直 徑約為lum的激光光斑。
權(quán)利要求
1、可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出的方法，其特征是利用宏微結(jié)合的三維納米精密移動(dòng)臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精密可調(diào)光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)激光器輸出的1mm直徑的激光束進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)激光光束在XY平面內(nèi)的跟蹤伺服以及在Z軸方向上的聚焦伺服，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位精度下的可控亞微米直徑激光光斑的輸出。
2、 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征是所述的激光器輸出的lmm直徑的激光束其發(fā)散角小于0. 7mrad。
3、 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的可控亞微米為0. 5~2 u m。
4、 基于權(quán)利要求1的可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出方法的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械伺服系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成；所述的光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源、分束器、聚焦系統(tǒng)及高分辨CCD探測(cè)器部件，所述的機(jī)械伺服系統(tǒng)包括宏微結(jié)合的三維納米精密位移平臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
5、 按權(quán)利要求4所述的基于權(quán)利要求1的可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出方法的系統(tǒng)，其特征是所述的宏微結(jié)合的三維納米精密移動(dòng)臺(tái)分辨率為l.Onm (X) X1.0um (Y) X1.0nm (Z)，最大行程為5薩(X) X5 (Y) X100誦(Z);三維微動(dòng)臺(tái)分辨率為3.0nm (X) X3.0nm (Y) X2.5nm (Z)，最大行程為30um (X) X30um (Y) X25um (Z)。
6、 按權(quán)利要求4所述的基于權(quán)利要求1的可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出方法的系統(tǒng)，其特征是所述的光學(xué)系統(tǒng)為可調(diào)精密光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)激光器發(fā)射的直徑lmm、發(fā)散角小于0.7mrad的激光束進(jìn)行分束、準(zhǔn)直、聚焦并探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束和光斑的尺寸及其能量的實(shí)時(shí)調(diào)控及監(jiān)測(cè)；所述的機(jī)械伺服系統(tǒng)對(duì)輸出激光束傳輸系統(tǒng)進(jìn)行納米級(jí)定位精度下的方位調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最終輸出激光光斑的跟蹤伺服和聚焦伺服；所述的計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為以上兩部分的控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)控制。
全文摘要
本發(fā)明屬應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域。涉及可實(shí)現(xiàn)聚焦和跟蹤伺服以獲得可控亞微米直徑激光光斑輸出的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明利用宏微結(jié)合的三維納米精密移動(dòng)臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精密光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一定頻率的激光光束在XY平面上的靈活調(diào)節(jié)與納米級(jí)精確定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑在Z軸方向上的精確聚焦，以獲得可控亞微米直徑的激光光斑。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出0.5～2微米的聚焦激光光斑在X、Y、Z軸方向的納米級(jí)精確定位。
文檔編號(hào)G02B27/48GK101666916SQ20081004260
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者晶 李 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)