專利名稱：一種原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學測量的裝置及方法，特別是涉及一種測量聚焦激光光斑能量分布的裝置及方法。
背景技術(shù)：
激光在工業(yè)、醫(yī)學、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同樣，在科學研究領(lǐng)域，激光也起到非常重要的作用，激光顯微拉曼光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、雙光子熒光顯微鏡、光鑷技術(shù)等激光和顯微鏡耦合裝置，均是以激光為基礎(chǔ)建立起來的。在具體的實驗研究中，經(jīng)過顯微鏡鏡頭聚焦后的激光光斑的形狀和能量分布能夠提供很多有用的信息，在理論和應(yīng)用研究方面都有重要的意義。但是，如何實現(xiàn)聚焦后激光斑點能量分布的原位測量仍是一個問題。目前，市場上的激光光束分析裝置較難實現(xiàn)激光光斑的原位測量；而普通的激光功率計則只能測量激光光斑的總體能量，不能給出激光光斑能量分布的有關(guān)信息。由于激光光束的能量按高斯分布計算，90%的能量集中在光斑的中心區(qū)域。通常采用的面陣CCD/CMOS器件作為感光元件，具有很高的靈敏性，當曝光時間為某一定值時， 激光光束中心的光強極易造成感光像元的過飽和，甚至溢出影響周邊區(qū)域像元的正常工作；另一方面，能量較弱的邊緣區(qū)域卻處于欠曝光狀態(tài)，大大降低了測量的動態(tài)范圍，從而影響了激光光斑能量分布測量的范圍和精確度。發(fā)明專利(專利號CN 101458067A)給出了一種測量激光光斑的裝置和方法，可以快速地測量激光束的質(zhì)量。該裝置由DMD微反射鏡陣列、數(shù)字相機、曝光控制器和圖像數(shù)字處理器組成，利用DMD微反射鏡陣列器件實現(xiàn)分時、分區(qū)改變?nèi)肷涔夤饴诽匦?，準確控制曝光過程，獲得高動態(tài)范圍的激光束檢測圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得激光束的光束質(zhì)量的信息。但由于受探測器像元大小的限制，此方法并不適用于聚焦小光斑的測量，并且也不能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦激光光斑的原位測量。掃描法是一種常用的測量激光光斑質(zhì)量的機械方法，其通過探測器前的刀口、狹縫、或小孔實現(xiàn)光斑的輪廓測量。目前，商業(yè)化的刀口、狹縫、或小孔的極限尺寸限制于1微米，造成此法的最小分辨率在1微米左右。然而，經(jīng)顯微鏡鏡頭聚焦后的激光光斑，考慮到激光波長和所用物鏡鏡頭的數(shù)值孔徑，聚焦后的光斑直徑一般微米、乃至亞微米量級。對于聚焦后的激光光斑，此法將會弓I入較大的誤差，甚至無法測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在原位測量及小直徑激光光斑測量上的不足； 為了實現(xiàn)亞微米級的聚焦光斑的測量，從而提出一種通過顯微鏡鏡頭聚焦后激光光斑的原位檢測聚焦光斑直徑和能量分布的測量裝置和方法。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供的一種原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，包括探測器和數(shù)據(jù)處理器；其特征在于還包括支架、顯微鏡鏡頭、收集透鏡、光纖、高精度平移臺和小孔部件； 所述的小孔部件由一塊帶有氮化硅薄膜凹槽的硅片，并在所述的凹槽表面上鍍金薄膜，再利用聚焦離子束技術(shù)，在所述的鍍金薄膜上刻蝕所需尺寸和形狀的通孔；所述的通孔用于透過少量的激光信號，防止探測器的過飽和；所述的支架固定在所述的高精度平移臺上，該支架的桌面開有一固定在所述小孔部件的孔；所述的顯微鏡鏡頭垂直于小孔部件設(shè)置，在支架的桌面開孔的下方設(shè)置所述的收集透鏡，該收集透鏡通過所述的光纖與所述的探測器連接，該探測器獲得透射的激光信號輸入給數(shù)據(jù)處理器，測試數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)處理器處理得到激光光斑的能量分布圖。在上述的技術(shù)方案中，所述的鍍金薄膜的厚度為500-800納米。在上述的技術(shù)方案中，所述的通孔(即小孔)的形狀為圓形；所述的圓形(即小孔)的通孔直徑為0. 2-0. 3微米。在上述的技術(shù)方案中，所述的收集透鏡主要用于透射激光信號的收集，選擇透光區(qū)域包含所測量激光波長的透鏡，所述的收集透鏡為非球面透鏡、平凸透鏡或雙凸透鏡。在上述的技術(shù)方案中，所述的光纖用于耦合激光信號到探測器當中，所選光纖的工作波長應(yīng)包含激光波長；該光纖為單?；蚨嗄９饫w。在上述的技術(shù)方案中，所述的高精度平移臺為可以進行一維、二維掃描的平移臺。在上述的技術(shù)方案中，所述探測器為CCD光電耦合器，用于探測激光信號的相對強度，光譜響應(yīng)范圍包括激光所在波長。一種原位測量聚焦激光光斑能量分布的方法，其特征在于利用本發(fā)明的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，包括如下步驟(1)利用顯微鏡確定金薄膜上小孔的具體位置，保證小孔處于顯微鏡的可視范圍內(nèi)；(2)打開激光，使激光束經(jīng)物鏡鏡頭聚焦在金薄膜小孔的平面上，通過高精度平移氮化硅薄膜臺調(diào)整小孔的位置，使之聚焦在小孔位置；(3)調(diào)節(jié)和設(shè)置探測器的曝光時間，調(diào)節(jié)曝光時間在探測器處于未飽和狀態(tài)下，準備進行曝光；(4)調(diào)節(jié)高精度平移臺的步長和掃描方向，使小孔在激光光斑平面內(nèi)掃描，根據(jù)所設(shè)置的步長進行掃描，經(jīng)曝光記錄下各個停留點探測器的相對強度，利用數(shù)據(jù)處理器再構(gòu)激光光斑的能量分布圖。本發(fā)明原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置和方法相對于已有技術(shù)具有如下優(yōu)點本發(fā)明的測量裝置利用帶有極小直徑通孔的小孔部件，安裝在結(jié)合在高精度平移臺的支架的臺面上，和收集透鏡與光纖組成的耦合裝置，實現(xiàn)了通過顯微鏡鏡頭聚焦后激光光斑的原位測量；克服了傳統(tǒng)方法在原位檢測中的弱點，而且可以測量亞微米級的聚焦光斑。


圖1是本發(fā)明的原位測量聚焦激光光斑能量分布裝置組成圖；圖2是本發(fā)明的測量裝置中使用的帶有氮化硅薄膜凹槽的硅片；圖3是實施例1中鍍有金薄膜氮化硅窗口上圓形通孔O00納米)的電鏡照片，其中，拍攝角度在30°下拍攝的；
圖4是利用實施例1的原位測量裝置和方法測得的聚焦激光光斑的能量分布曲線.
一入 ，圖5是實施例2中鍍有金薄膜氮化硅窗口上圓形通孔(300納米)的電鏡照片，其中，拍攝角度在30°下拍攝的；圖6是利用實施例2制作的測量裝置和方法測得的聚焦激光光斑的能量分布曲線。圖面說明1-支架2-高精度平移臺 3-激光束4-物鏡鏡頭5-小孔部件6-收集透鏡7-光纖8-探測器 9-數(shù)據(jù)處理器
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步描述實施例1 參見附圖1，制作一激光光斑能量分布測量裝置。本實施例的小孔部件由以下步驟制得，(1)選擇一片市場上購買的帶有氮化硅薄膜窗口的硅片(見附圖2)，氮化硅薄膜窗口厚度200納米；窗口的形狀可以是圓形、長方形或正方形；(2)在該樣品表面蒸鍍一層金薄膜，薄膜厚度500-800納米之間均可實施，只要保證氮化硅薄膜不透光；(3)利用聚焦離子束技術(shù)在鍍金膜的氮化硅薄膜上刻蝕所需圓形通孔(小孔)，該圓形通孔直徑，例如為200-300納米之間均可以，刻透所鍍金薄膜及氮化硅薄膜(見附圖3 和圖5)。本實施例中選擇波長為405納米的半導體激光器，激光器輸出功率為10毫瓦。物鏡鏡頭4選擇奧林巴斯100X (數(shù)值孔徑=0. 9，工作距離=0. 21毫米)的物鏡鏡頭，用于聚焦激光光束。選用的高精度平移臺2為Thorlabs公司生產(chǎn)的MAX311/M平移臺，最小步長可達20納米，高精度平移臺2可實現(xiàn)對激光截面的掃描(即用于實現(xiàn)小孔在光斑平面內(nèi)的一維、二維掃描)。收集透鏡6為直徑為5毫米，焦距6毫米的非球面透鏡。探測器8為液氮制冷的高靈敏度CCD，普林斯頓儀器公司的SpeclO，探測動態(tài)范圍為10-65000計數(shù)，光譜響應(yīng)范圍為350-800納米。本實施例的小孔部件5采用上述方法制作，小孔直徑200納米(見附圖3)。光纖7用于耦合激光信號到探測器當中，所選光纖的工作波長應(yīng)包含所要檢測的激光光斑的激光波長；光纖為工作范圍為400-2200納米的多模光纖(美國ARC公司生產(chǎn))，選擇光纖的目的還在于節(jié)省空間，實現(xiàn)原位測量。數(shù)據(jù)處理器9用于處理由探測器產(chǎn)生的電壓信號，并可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理和分析，最終以圖形的方式顯現(xiàn)出來。支架1由一根豎梁和一條形面板組成，該面板垂直與豎梁固定在豎梁的上部，豎梁的底部垂直固定在高精度平移臺2上，該高精度平移臺2是采用市場上購買的。在該支架1的面板中心開孔，所開的孔直徑與硅片大小相配合，即將所述小孔部件5固定在該孔中 (參見附圖1)。物鏡鏡頭4垂直于小孔部件5上方設(shè)置，即垂直對準帶有氮化硅薄膜凹槽的硅片上方設(shè)置，在相對于支架1的面板開孔的下方設(shè)置收集透鏡6，該收集透鏡6通過光纖7與探測器8連接，激光光束3經(jīng)物鏡鏡頭4聚焦，小孔部件5經(jīng)由支架1固定在高精度平移臺2上，高精度平移臺2可實現(xiàn)對激光截面的掃描，通孔在不同位置時收集到的信號由收集透鏡6收集，然后通過光纖7耦合到探測器8中，通過數(shù)據(jù)處理器9實現(xiàn)光斑能量分布重構(gòu)。利用本實施例制作的激光光斑能量分布測量裝置進行激光光斑能量分布測量的方法，具體步驟如下第一步按照圖1所示把各部件安裝完畢，利用顯微鏡確定通孔在鍍金薄膜上的位置，通過高精度平移臺調(diào)節(jié)小孔位置，確保小孔在顯微鏡可視范圍內(nèi)；測試中所使用的小孔分布在鍍有金薄膜的氮化硅上，因為小孔直徑較小QOO納米)，必須借助顯微鏡確定小孔的位置；具體的方法是，利用FIB刻蝕小孔的同時，在小孔附近做一些標記，使我們能夠在光學顯微鏡下快速準確地確定小孔的位置；第二步打開半導體激光器，通過中性衰減片調(diào)節(jié)激光輸出功率，使激光功率值穩(wěn)定在2毫瓦。調(diào)節(jié)將激光束引入顯微鏡鏡頭的兩反射鏡的俯仰，使被測激光束經(jīng)物鏡鏡頭聚焦在鍍金薄膜的小孔的平面上，上下調(diào)節(jié)小孔的位置激光聚焦斑點的中心位置不變，說明激光聚焦狀態(tài)良好。再通過高精度平移臺微調(diào)小孔位置，使之恰好聚焦在小孔位置上；在這一步驟中，需要注意的是，高精度平移臺的移動范圍有限，需要粗調(diào)節(jié)和壓電調(diào)節(jié)結(jié)合使用，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實現(xiàn)的；第三步給探測器中加入液氮，冷卻CXD并使之恒定在-100°C。打開探測器前的蓋板，讓激光信號進入到探測器中。調(diào)節(jié)探測器的曝光時間，曝光時間為20毫秒，此時的讀數(shù)為55000計數(shù)，保證此時探測器處于未飽和狀態(tài)；本步驟的目的是充分利用探測器的動態(tài)范圍，使強弱信號均能在探測器上反應(yīng)出來，提高檢測的靈敏性和范圍。第四步設(shè)置高精度平移臺的步長(0.2微米)和掃描方向(χ方向)和步數(shù)(22 步)，使小孔沿著激光光斑掃描。信號經(jīng)探測器探測，記錄下各個停留點探測器的相對強度， 經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理得到激光光斑的能量分布(見附圖4)。實施例2 按照與實施1例中相似的方法和步驟。參見附圖1，制作一激光光斑能量分布測量裝置。本實施例的小孔部件由以下步驟制作(1)采用市場上購買的帶有氮化硅薄膜凹槽(窗口)的硅片，其中，氮化硅薄膜凹槽的厚度200納米；(2)在該帶有氮化硅薄膜凹槽(窗口)的硅片表面蒸鍍一層金薄膜，金薄膜的厚度為500-800納米，保證氮化硅薄膜不透光；該凹槽為正方形；(3)利用聚焦離子束技術(shù)在鍍金膜的氮化硅薄膜上刻蝕一直徑為200-300納米的圓形通孔。通孔用于透過少量的激光信號，防止探測器的過飽和；通孔直徑的大小直接決定了本發(fā)明的檢測靈敏度。本實施例選擇波長為633納米的He-Ni激光器，激光器輸出功率為5毫瓦。物鏡鏡頭4選擇奧林巴斯50 X (數(shù)值孔徑=0. 8，工作距離=1毫米)的物鏡鏡頭，用于聚焦激光光束。選用的高精度平移臺2為Thorlabs公司生產(chǎn)的MAX311/M平移臺，最小步長可達20納米，高精度平移臺2可實現(xiàn)對激光截面的掃描(即用于實現(xiàn)小孔在光斑平面內(nèi)的一維、 二維掃描)。收集透鏡6為直徑為5毫米，焦距6毫米的雙凸透鏡。探測器8為液氮制冷的高靈敏度CCD，普林斯頓儀器公司的SpeclO，探測動態(tài)范圍為10-65000計數(shù)，光譜響應(yīng)范圍為350-800納米。本實施例的小孔部件5采用上述方法制作，小孔直徑300納米(見附圖 5)。光纖7用于耦合激光信號到探測器當中，所選光纖的工作波長應(yīng)包含所要檢測的激光光斑的激光波長；光纖為工作范圍為400-2200納米的多模光纖(美國ARC公司生產(chǎn))，選擇光纖的目的還在于節(jié)省空間，實現(xiàn)原位測量。數(shù)據(jù)處理器9用于處理由探測器產(chǎn)生的電壓信號，并可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理和分析，最終以圖形的方式顯現(xiàn)出來。本實施例中各部件的構(gòu)建方式在實施例1中已作詳細的描述。利用本實施例制作的激光光斑能量分布測量裝置進行激光光斑能量分布測量的方法，具體步驟如下第一步按照示示意圖1把各部件安裝完畢，利用顯微鏡確定通孔在鍍金薄膜上的位置，通過高精度平移臺調(diào)節(jié)小孔位置，確保小孔在顯微鏡可視范圍內(nèi)；第二步打開He-Ni激光器，通過中性衰減片調(diào)節(jié)激光輸出功率，使激光功率值穩(wěn)定在2毫瓦。調(diào)節(jié)將激光束引入顯微鏡鏡頭的兩反射鏡的俯仰，使被測激光束經(jīng)物鏡鏡頭聚焦在鍍金薄膜的小孔的平面上，上下調(diào)節(jié)小孔的位置激光聚焦斑點的中心位置不變，說明激光聚焦狀態(tài)良好。再通過高精度平移臺微調(diào)小孔位置，使之恰好聚焦在小孔位置上；第三步給探測器中加入液氮，冷卻CXD并使之恒定在-100°C。打開探測器前的蓋板，讓激光信號進入到探測器中。調(diào)節(jié)探測器的曝光時間，曝光時間為10毫秒，此時的讀數(shù)為51000計數(shù)，保證此時探測器處于未飽和狀態(tài)；第四步設(shè)置高精度平移臺的步長(0.2微米)和掃描方向(χ方向)和步數(shù)(25 步)，使小孔沿著激光光斑掃描。信號經(jīng)探測器探測，記錄下各個停留點探測器的相對強度， 經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理得到激光光斑的能量分布(見附圖6)。采用本發(fā)明所提供的激光光斑測量裝置和方法，可以實現(xiàn)聚焦激光光斑的原位測量，有效地彌補了傳統(tǒng)測試方法在小光斑、原位測量中的不足。以上所述僅為本發(fā)明的一些較佳實施例，并非用于限定本發(fā)明的實施范圍，但凡依照本發(fā)明申請專利范圍內(nèi)所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化和修飾，均應(yīng)該包括在本發(fā)明的申請專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，包括探測器和數(shù)據(jù)處理器；其特征在于還包括支架、顯微鏡鏡頭、收集透鏡、光纖、高精度平移臺和小孔部件；所述的小孔部件由一塊帶有氮化硅薄膜凹槽的硅片，并在所述的凹槽表面上鍍金薄膜，再利用聚焦離子束技術(shù)，在所述的鍍金薄膜上刻蝕所需尺寸和形狀的通孔；所述的通孔用于透過少量的激光信號，防止探測器的過飽和；所述的支架固定在所述的高精度平移臺上，該支架的桌面開有一固定在所述小孔部件的孔；所述的顯微鏡鏡頭垂直于小孔部件設(shè)置，在支架的桌面開孔的下方設(shè)置所述的收集透鏡，該收集透鏡通過所述的光纖與所述的探測器連接，該探測器獲得透射的激光信號輸入給數(shù)據(jù)處理器，測試數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)處理器處理得到激光光斑的能量分布圖。
2.按權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，其特征在于所述的收集透鏡為非球面透鏡、平凸透鏡或雙凸透鏡。
3.按權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，其特征在于所述的鍍金薄膜的厚度為厚度500-800納米。
4.按權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，其特征在于，所述的通孔的形狀為圓形；所述的圓形的通孔直徑為0. 2-0. 3微米。
5.按權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置，其特征在于所述的高精度平移臺是一種實現(xiàn)平面內(nèi)的一維、二維掃描的平移臺。
6.按權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置置，其特征在于所述探測器為液氮制冷的CCD光電探測器。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的原位測量聚焦激光光斑能量分布的裝置進行原位測量聚焦激光光斑能量分布的方法，其特征在于測量步驟如下(1)利用顯微鏡確定小孔部件上小孔的具體位置，保證小孔處于顯微鏡的可視范圍內(nèi)；(2)打開激光，使激光束經(jīng)物鏡鏡頭聚焦在小孔部件的平面上，通過高精度平移臺調(diào)整小孔的位置，使激光聚焦在小孔位置；(3)調(diào)節(jié)和設(shè)置探測器的曝光時間，調(diào)節(jié)曝光時間在探測器處于未飽和狀態(tài)下，準備進行曝光；(4)設(shè)置高精度平移臺的步長和掃描方向，使小孔在激光光斑平面內(nèi)掃描，根據(jù)所設(shè)置的步長進行掃描，經(jīng)曝光記錄下各個停留點探測器的相對強度，利用數(shù)據(jù)處理器給出聚焦激光光斑的能量分布圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位測量聚焦激光光束能量分布的裝置和方法。該裝置由一支架固定在高精度平移臺上，該支架的桌面開有固定小孔部件的孔洞；顯微鏡鏡頭垂直于小孔部件設(shè)置，在桌面開孔的下方設(shè)置收集透鏡，該收集透鏡通過光纖與探測器連接，該探測器獲得透射的激光信號輸入給數(shù)據(jù)處理器，測試數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理得到激光光斑的能量分布圖。測量方法是利用顯微鏡確定小孔的位置，使激光聚焦在小孔位置；調(diào)節(jié)和設(shè)置探測器的曝光時間，根據(jù)所設(shè)置的步長進行掃描、曝光，數(shù)據(jù)處理器給出聚焦激光光斑的能量分布圖。本發(fā)明利用小孔部件掃描激光光斑，將收集到的激光信號耦合到高靈敏、大動態(tài)響應(yīng)范圍的探測器上，實現(xiàn)聚焦光斑能量分布的精確測量。
文檔編號G01B11/24GK102192706SQ201010124758
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者劉新風, 寧廷銀, 裘曉輝, 閆永麗 申請人:國家納米科學中心