一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置的制作方法

專利名稱：一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光掃描技術，具體為一種具有色散補償功能的基于二維聲光偏轉器(acoustic-optical deflector，AOD)的激光掃描裝置，它尤其適合于多光子激發掃描測量與成像，激光微加工等領域。
背景技術：
利用聲光偏轉器控制激光光束進行掃描是一種非常有前途的激光掃描技術，尤其在多光子激發掃描測量與成像，激光微加工等領域有著很有前途的應用。國外已經在這方面申請了多項專利，例如美國專利No.6,804,000B2，美國專利No.US 2002/0023903 A1。在美國專利No.6,804,000 B2中使用單個聲光偏轉器進行超短脈沖激光的掃描，并用單個棱鏡補償單個聲光偏轉器的空間色散，提出采用兩個棱鏡補償二維聲光偏轉器的空間色散，但裝置比較復雜，透射率低；在美國專利No.US 2002/0023903 A1中使用二維聲光偏轉器進行超短脈沖激光的二維掃描，并用衍射光柵補償二維聲光偏轉器的空間色散，該發明主要應用于激光微加工領域，且沒有提到對二維聲光偏轉器的時間色散進行補償。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置，該激光掃描裝置解決了二維聲光偏轉器帶來的色散問題。
本發明提供的一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置，包括由相互正交放置的X向聲光偏轉器和Y向聲光偏轉器構成的二維聲光偏轉器，其特征在于在二維聲光偏轉器之前或之后傾斜β度放置頂角為A的三角棱鏡，使激光導入二維聲光偏轉器的第一通光孔。
其中，β值滿足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉器中第一個聲光偏轉器和第二個聲光偏轉器引起的光發散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(1)]]>項角A滿足(II)式要求，式中Δθz為二維聲光偏轉器引起的光發散角，n為棱鏡對光的折射率，λn為中心波長，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度Δθz＝sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]-(II)。
sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]作為本發明的進一步特征，三角棱鏡到二維聲光偏轉器的第一通光孔表面的光程為L，光程L滿足(III)式要求，其中，λ為光波長，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉器對光的偏轉角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>三角棱鏡與二維聲光偏轉器之間可設置第一反射鏡和第二反射鏡。
本發明提出了一種新的補償二維聲光偏轉器色散的裝置——用單個棱鏡補償二維聲光偏轉器色散，從而實現了一種新的基于二維聲光偏轉器的激光掃描方法和裝置。由于本發明既能實現二維聲光偏轉器的空間色散補償，同時也補償了時間色散，因此適用于多光子激發掃描測量與成像。多光子激發要求激發脈沖光有較高的峰值能量密度和平均光強，而聲光偏轉器一般是用大色散材料做成的，比如TeO2，因此會引起脈沖激光產生較大的色散，引起脈沖展寬和光斑變形，降低了多光子激發效率，激發出的熒光強度減小，信噪比降低，還會造成圖像模糊，降低空間分辨率，使得圖像質量變差。單個棱鏡傾斜放置的裝置，能同時補償二維聲光偏轉器的空間色散，而不需要用兩個棱鏡分別補償二維聲光偏轉器的色散。棱鏡補償聲光偏轉器空間色散的同時，對時間色散也有一定的補償作用，減小了激光脈沖寬度的展寬，能提高多光子激發獲取的熒光圖像的成像質量。類似的，本發明如果應用于多次諧波激光掃描成像顯微鏡中，也可以提高成像質量。本發明的優點在于在聲光偏轉器對激光進行二維掃描時，既補償了二維聲光偏轉器對超短脈沖光的空間色散，同時也補償了二維聲光偏轉器的時間色散。這一裝置結構緊湊、易于調節，適用于多光子激發掃描測量與成像，激光微加工等領域，特別適用于需要光斑在多個感興趣的區域隨機跳躍掃描的情況。


圖1是本發明裝置原理示意圖。
圖2為本發明裝置的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖3是聲光偏轉器對超短脈沖光的偏轉以及空間色散示意圖。
圖4a是二維聲光偏轉器引起的空間色散示意圖；圖4b是二維聲光偏轉器空間色散導致光斑畸變情況示意圖。
圖5是二維聲光偏轉器空間色散與聲波頻率的關系示意圖。
圖6a是棱鏡對超短脈沖光的偏轉以及空間色散示意圖；圖6b是棱鏡補償單個聲光偏轉器空間色散原理圖示意圖。
圖7a是當超短脈沖光以布儒斯特角入射，棱鏡頂角與其產生的空間色散量的關系圖；圖7b是等邊三角棱鏡的空間色散量與光入射角度的關系圖。
圖8是發明裝置的應用實例示意圖。
圖9a和圖9b是單個棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散的原理圖，其中，圖9a為棱鏡放置在二維聲光偏轉器之前，圖9b為棱鏡放置在二維聲光偏轉器之后。
圖10是表示棱鏡相對于二維聲光偏轉器傾斜角度的示意圖。
圖11是棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散補償前后的光斑變化測試系統原理圖。
圖12是將本發明應用于多光子激發掃描顯微鏡而建立的新系統的組成圖。
圖13是單個棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散后觀測光斑形狀變化的實驗結果。
圖14是圖12所示系統中加入棱鏡補償色散前后獲得的熒光小球圖像比較。
圖15是表示單個棱鏡對二維聲光偏轉器時間色散補償的實驗結果。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括二維聲光偏轉器和三角棱鏡。二維聲光偏轉器由正交放置的Y向聲光偏轉器4和X向聲光偏轉器5構成，二維聲光偏轉器實現對超短脈沖激光的二維掃描，并引起色散，為此，在二維聲光偏轉器之前或之后傾斜β度放置頂角為A的三角棱鏡1來實現對聲光偏轉器的色散補償。β和A的值的計算方法如下傾斜度β采用下式計算，其中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉器中第一個聲光偏轉器和第二個聲光偏轉器引起的光發散角β=tan-1(ΔθyΔθx);]]>頂角A采用下式計算，其中Δθz為二維聲光偏轉器引起的光發散角，n為棱鏡對光的折射率，λn為中心波長，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度|Δθz|=sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]-sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1].]]>當滿足下述條件時，本發明可以達到更好的補償效果即三角棱鏡1到二維聲光偏轉器的第一通光孔表面的光程為L，光程L采用下式計算|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>其中，λ為光波長，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉器對光的偏轉角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度。
為了使得操作更方便、簡單，在三角棱鏡1與二維聲光偏轉器之間可設置第一反射鏡2和第二反射鏡3，將激光導入二維聲光偏轉器的第一通光孔(即與三角棱鏡較近的聲光偏轉器的通光孔)。
本發明的巧妙之處在于將棱鏡相對于二維聲光偏轉器傾斜了一個特定的角度，使得用單個棱鏡能夠同時補償二維聲光偏轉器的色散。本發明也可以通過改變光入射棱鏡的角度來進一步調整空間色散補償量，還可以通過改變棱鏡相對于聲光偏轉器的距離調整時間色散補償量。
下面對此作進一步詳細地說明如圖3所示，聲光偏轉器對入射光束的偏轉角為θ=λΛ=λfν---(1)]]>其中λ為晶體中的光波長，Λ為聲波波長，f為聲波41的頻率，ν為聲波在聲光晶體中傳播速度。對于超短脈沖光入射，聲光偏轉器對不同波長的光偏轉角度不同，因此偏轉光存在一定的發散角，根據式1)得到帶寬為Δλ的入射光通過聲光偏轉器后的發散角為Δθ=ΔλΛ=Δλfν,---(2)]]>即聲光偏轉器的空間色散量可表示為ϵ=ΔθΔλ=fν---(3)]]>由于空間色散的存在，超短脈沖光通過聲光偏轉器后光斑形狀會發生改變，圖3所示，假設入射為圓形光斑101，出射偏轉光的光斑108變為橢圓，圖中用λn＞…＞λ2＞λ1表示光譜分布。
如果讓超短脈沖光入射兩個在垂直和水平方向正交放置的聲光偏轉器，則二維聲光偏轉器的空間色散將共同作用于出射偏轉光上，引起偏轉光發散。假設水平放置的X向聲光偏轉器5引起的發散角為Δθx，垂直放置的Y向聲光偏轉器4引起的發散角為Δθy，如圖4a所示，則二維聲光偏轉器共同作用時的光發散角Δθz可以表示為Δθz=(Δθx)2+(Δθy)2---(4)]]>即二維聲光偏轉器空間色散量εz表示為ϵz=ΔθzΔλ---(5)]]>由于二維聲光偏轉器空間色散的影響，會引起出射光發散，進而導致光斑變形。假設入射光的光斑為圓形，則出射光斑會變為橢圓，如果兩維二維聲光偏轉器同時作用，則不但會變為橢圓，而且光斑相對于X軸有一定的傾斜角，如圖4b所示，其中λn＞…＞λ2＞λ1。傾斜角α為α=tan-1(ΔθyΔθx)---(6)]]>例如，飛秒激光器(Tis，Spectra-Physics)輸出的脈沖激光(中心波長為800nm，帶寬10nm)通過正交放置的兩維二維聲光偏轉器(晶體材料為TeO2，聲波頻率范圍78MHz～114MHz，聲波在晶體中的傳播速度650m/s)后，根據式2)、3)、4)、5)可以得到產生的空間色散量隨著聲波頻率的改變在0.009722°/nm～0.01421°/nm之間變化，當兩維二維聲光偏轉器都工作在聲波中心頻率96MHz時，空間色散量為0.01196°/nm，如圖5所示。而由式6)可以得到光斑相對于X軸的傾斜角在34.37°～56.08°之間變化，當兩維二維聲光偏轉器工作的聲波頻率相等時，傾斜角為45°。
為了解決兩維二維聲光偏轉器色散的問題，本發明采用了一種色散元件——棱鏡對色散進行補償。棱鏡對入射光有偏折的作用，如圖6a所示，光以入射角I1進入棱鏡1，出射光相對于入射光有一定的偏轉角D，則棱鏡1對超短脈沖光的發散角可以表示為ΔD＝sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]- (6)sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]即棱鏡的空間色散量σ可表示為σ=ΔDΔλ---(7)]]>
其中A為棱鏡的頂角，n(λ)為棱鏡對波長為λ的光波的折射率，λ0為脈沖激光的中心波長，Δλ為帶寬。圖6a所示，假設入射光斑101為圓形，經過棱鏡后光斑102變為橢圓，且光譜分布情況為λn＜…＜λ2＜λ1。
用單個棱鏡補償兩維二維聲光偏轉器空間色散時，就是要使得棱鏡產生的空間色散量與兩維二維聲光偏轉器產生的空間色散量符號相反、數值相等。因此只需要令εz與σ的絕對值相等，即|εz|＝|σ|(8)將式5)、7)代入式8)，且令光入射棱鏡的角I1為布儒斯特角，可求出所需三棱鏡的頂角A。
例如，為了解決前面例子中二維聲光偏轉器的空間色散，過程如下因為前面計算得到的二維聲光偏轉器的空間色散量隨著聲波頻率的改變在0.009722°/nm～0.01421°/nm之間變化，而棱鏡只能補償某個頻率點的空間色散量。為了在二維聲光偏轉器的整個聲波頻率范圍內都較好的補償其空間色散，應該以中心聲波頻率處的色散量0.01196°/nm為準進行補償，且棱鏡相對于X軸傾斜角β＝45°。雖然這樣做會使得高于聲波中心頻率時，色散欠補償；而低于中心頻率時，色散過補償，但這是能做到的最好結果。
選定色散值較大的ZF4玻璃作為棱鏡材料，其折射率與入射光波長關系可用如下關系式表示n2(λ)＝a0+a1λ2+a2λ-2+a3λ-4+a4λ-6+a5λ-8(9)其中n為折射率，λ為入射光波長，a0，a1，a2，a3，a4，a5為折射率常數。中心波長800nm，帶寬10nm的飛秒脈沖激光以布儒斯特角入射時，棱鏡頂角和空間色散補償量的關系可以由式6)、9)計算得到，如圖7a所示。而當棱鏡頂角A＝64.74°時，能產生的空間色散補償量為0.01104°/nm，和需要的補償量(0.01196°/nm)基本相當。
如果沒有頂角正好是64.74°的棱鏡，還可以調節光入射棱鏡的角度來調整空間色散補償量。以頂角為60°的等邊棱鏡為例，如果光以布儒斯特角入射，空間色散補償量僅有0.005809°/nm，大約只有所需補償量的一半。但是如果改變光入射棱鏡的角度，則能調節色散補償量的大小，如圖7b所示。當光入射角為47.5°時，空間色散量為0.01213°/nm，與所需的補償量相近，因此可以根據補償量的需要，來調節光入射棱鏡的角度。
圖9是棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散時，放置在二維聲光偏轉器之前或者之后的原理圖。圖中光斑101，103，104，105，106，107表示光路中各個位置處光斑的形狀。
對于時間色散補償，可以通過改變棱鏡到二維聲光偏轉器中的第一個Y向聲光偏轉器4之間的光程長L來調節色散補償量。
二維聲光偏轉器引入的材料色散GDDA為GDDA=λ32πc2dd2ndλ2|λ,---(10)]]>其中c為真空中的光速度，d為二維聲光偏轉器晶體的厚度， 為二維聲光偏轉器材料的二階色散率。
而光進入棱鏡時，引入的角色散GDDa為GDDa=-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2---(11)]]>其中L為棱鏡到兩維二維聲光偏轉器中第一個二維聲光偏轉器通光孔表面的光程。棱鏡引起的材料色散GDDM為GDDM=λ32πC2(s/2)d2ndλ2|λ---(12)]]>其中，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1]]>h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度。由式11)、12)求得棱鏡引起的總色散GDDP為GDDP＝GDDa+GDDM(13)而為了使棱鏡盡可能補償二維聲光偏轉器的時間色散，應使得|GDDA+GDDp|最小，最好為0。因此我們可以根據這個來調節棱鏡到第一個聲光偏轉器通光孔表面光程L來實現對時間色散補償量的調節。
綜上所述，在確定好棱鏡的頂角A，棱鏡放置的傾斜角度β后，可以調節光入射棱鏡的角度I1來調節空間色散補償量，同時還可以調節棱鏡到二維聲光偏轉器的第一個聲光偏轉器的通光孔表面的光程長L來調節時間色散補償量。
在二維聲光偏轉器之間可加入中繼光路系統(如透鏡)，且X向聲光偏轉器和Y向聲光偏轉器分別處于中繼光路的物象共軛位置。
實例一根據圖11所示實驗系統，用等邊三棱鏡(頂角60°)進行了棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散實驗。圖8所示，棱鏡傾斜45°放置，光入射棱鏡的角度為47.5°，且棱鏡到第一個聲光偏轉器4的通光孔表面的光程為20cm(以下實驗中均是如此)。圖11a所示，先讓飛秒激光器6發出的單色光(800nm)通過二維聲光偏轉器后打到白屏8上，用CCD 7拍攝光斑形狀。使得二維聲光偏轉器的聲波頻率在78MHz～114MHz之間快速等間隔變化，從而得到圖13a所示光斑陣列圖。此時因為是單色光入射，所以沒有空間色散，不會導致光斑變形，因此圖13a相當于原始光斑形狀；如果飛秒激光器發出的是帶寬為10nm的脈沖光，則得到的光斑陣列見圖13b所示，光斑為傾斜橢圓，相比于12a圖，空間色散的影響明顯。當飛秒脈沖光通過圖11b所示系統后，因為棱鏡1對二維聲光偏轉器的空間色散起到了補償作用，因此得到的光斑陣列如圖13c所示，光斑又重新變為圓形，接近圖13a所示沒有空間色散的情形。
實施二將補償系統應用于基于二維聲光偏轉器的多光子激發隨機掃描顯微鏡中，如圖12所示實驗系統，飛秒激光器6發出的激光通過本發明裝置進行二維掃描后，經過掃描透鏡9、狹縫10、顯微鏡中的筒鏡11、二色鏡12、物鏡13、到達樣品14(若丹明6G標記的聚苯乙烯熒光小球)，多光子激發出的熒光用光電倍增管15探測，從而獲取樣品的多光子激發的熒光圖像。
實驗中，系統中先不加入補償棱鏡1，獲取的熒光小球圖像如圖14a所示，由于二維聲光偏轉器的色散影響，小球熒光圖像上有斜條紋，且比較模糊；然后在系統中加入棱鏡以補償二維聲光偏轉器的空間色散，獲取的小球圖像如圖14b所示，由于二維聲光偏轉器的空間色散得到補償，小球圖像上的斜條紋變得不明顯(或者說消失了)，且圖像比較清晰；圖14c是用奧林巴斯FY300共聚焦掃描顯微鏡獲取的該樣品的多光子激發熒光圖像，由于該掃描顯微鏡中用的是振鏡掃描，不存在空間色散，用該系統獲取的圖像可以作為一個參考，以比較基于二維聲光偏轉器的多光子激發掃描顯微成像系統用棱鏡補償空間色散前后，圖像質量的改善情況。
棱鏡在補償二維聲光偏轉器空間色散的同時，也能補償時間色散。圖15很好的說明了本發明也能有效補償時間色散的這一特點，實驗過程中棱鏡到第一個聲光偏轉器通光孔表面的光程為20cm。圖15a為飛秒激光器輸出脈沖激光的原始脈寬，為84fs(標準偏差2fs)，圖15b為二維聲光偏轉器(此時聲波在中心頻率處)引起超短脈沖光時間色散后，激光脈寬變為404fs(標準偏差5fs)，圖15c為棱鏡補償二維聲光偏轉器(此時聲波在中心頻率處)時間色散后，激光脈寬減小為226fs(標準偏差5fs)。改變二維聲光偏轉器的工作頻率(78MHz～114MHz)，不加補償棱鏡，輸出脈寬在355fs～520fs之間變化；加上補償棱鏡后，輸出光脈寬在207fs～267fs之間變化，時間色散平均減小了約200fs。
本發明可以直接應用于激光微加工領域。基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置結合超短脈沖激光后用來進行微加工有很多優點，例如定位精確、可重復性高、速度快，但是聲光偏轉器對超短脈沖激光的空間色散會導致光斑變形，且降低掃描裝置可分辨的光點數，使得微加工精度降低。而棱鏡補償二維聲光偏轉器空間色散后，能很好的校正光斑變形，提高空間分辨率，從而提高激光微加工的精度。
除了應用在多光子激發掃描顯微鏡中，本發明還可以應用于多次諧波激光掃描成像顯微鏡中。多次諧波成像也是一種非線性成像，需要用到超短脈沖激光，也可以利用二維聲光偏轉器控制激光束達到掃描樣品的目的，因此也面臨二維聲光偏轉器帶來的色散問題，和多光子激發熒光成像類似。同樣可以通過單個棱鏡來補償二維聲光偏轉器的色散。
總之，單個棱鏡補償二維聲光偏轉器色散的方法簡單實用、效果明顯，對于多光子激發掃描測量和成像、激光微加工等領域有重要的意義，特別適用于需要光斑在多個感興趣的區域隨機跳躍掃描的情況。
權利要求
1.一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置，包括由正交放置的X向聲光偏轉器和Y向聲光偏轉器構成的二維聲光偏轉器，其特征在于在二維聲光偏轉器之前或之后傾斜β度設置有頂角為A的三角棱鏡(1)，其中β值滿足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉器中第一個聲光偏轉器和第二個聲光偏轉器引起的光發散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(I)]]>頂角A滿足(II)式要求，式中Δθz為二維聲光偏轉器引起的光發散角，n為棱鏡對光的折射率，λ0為中心波長，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度|Δθz|=sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]-sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]---(II).]]>
2.根據權利要求1所述的激光掃描裝置，其特征在于三角棱鏡(1)到二維聲光偏轉器的第一通光孔表面的光程為L，光程L滿足(III)式要求，其中，λ為光波長，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉器對光的偏轉角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>
3.根據權利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于三角棱鏡(1)與二維聲光偏轉器之間設置有第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)，使激光導入二維聲光偏轉器的第一通光孔。
4.根據權利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于β＝45°。
5.根據權利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于二維聲光偏轉器之間設有透鏡，且X向聲光偏轉器和Y向聲光偏轉器分別處于透鏡的物象共軛位置。
全文摘要
本發明公開了一種基于二維聲光偏轉器的激光掃描裝置。它包括由正交放置的X向聲光偏轉器和Y向聲光偏轉器構成的二維聲光偏轉器，在二維聲光偏轉器之前或之后傾斜β度設置有頂角為A的三角棱鏡，三角棱鏡與二維聲光偏轉器之間設置有第一反射鏡和第二反射鏡，使激光導入二維聲光偏轉器的第一通光孔。在聲光偏轉器對激光進行二維掃描時，既補償了二維聲光偏轉器對超短脈沖光的空間色散，同時也補償了二維聲光偏轉器的時間色散。這一裝置結構緊湊、易于調節，適用于多光子激發掃描測量與成像，激光微加工等領域，特別適用于需要光斑在多個感興趣的區域隨機跳躍掃描的情況。
文檔編號G02B26/10GK1749803SQ200510019130
公開日2006年3月22日 申請日期2005年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者曾紹群, 駱清銘, 占成, 呂曉華 申請人:華中科技大學