CN100458493C - 一种超短脉冲激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲激光扫描装置。它包括位于同一光路上的声光调制器和二维声光偏转器，二维声光偏转器由正交放置的两个声光偏转器构成，声光偏转器与声光调制器夹角为45±5度。声光调制器的调制频率为f_AOM＝f±10%f到二维声光偏转器的间距D＝L±10%L。在使用声光偏转器对激光进行二维扫描时，本装置可以较好的补偿由于使用声光偏转器扫描超短脉冲激光束时引入的空间色散和时间色散。本装置结构简单，光路易于调节，适用于飞秒激光存储、成像和激光微加工等领域，特别适用于激光束的随机扫描。

Description

一种超短脉冲激光扫描装置

技术领域

本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种基于二维声光偏转器(Acoustic-Optical Deflector，AOD)具有色散补偿功能的超短脉冲激光扫描装置，它适用于飞秒激光存储、成像和激光微加工等领域。

背景技术

使用声光偏转器对激光进行扫描是一种非常有前途的激光扫描技术。尤其适用于飞秒激光存储、成像和激光微加工等领域。但使用声光偏转器扫描超短脉冲激光时，激光束会产生空间色散和时间色散，从而影响到多光子的激发效率。因此，在使用声光偏转器扫描超短脉冲时，必须对空间色散和时间色散进行补偿。

目前关于补偿方法已经有较多的文章和专利。R.Salomé在“Ultra-fastrandom-access scanning in two-photon microscopy using acousto-opticdeflectors”中使用一个声光调制器斜向45度放置同时补偿二维声光偏转器的空间色散。对于时间色散，则另使用一对棱镜进行补偿。如此设计光路显得较为复杂。中国专利“一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置”(专利申请号：200510019130.0)。该专利提到在光路中将一个棱镜斜向45度放置在二维声光偏转器前适当距离处，可以同时实现对二维声光偏转器的空间色散补偿和时间色散补偿。本发明装置使用一个声光调制器取代上述中国专利中的棱镜，放置在二维声光偏转器前适当位置处，同样可以取得较好的效果，和前两者相比具有光路结构简单，避免精确调节棱镜入射角等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超短脉冲激光扫描装置，该装置可以同时、准确的对激光束的空间色散和时间进行补偿。

本发明提供的一种超短脉冲激光扫描装置，其特征在于：该装置包括位于同一光路上的声光调制器和二维声光偏转器，所述二维声光偏转器由正交放置的两个声光偏转器构成，其中一个声光偏转器与声光调制器的夹角为45±5度或135±5度；所述两个声光偏转器相同，声光调制器的频率f_AOM＝f±10％f，其中，f满足公式(I)要求：

$f=\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}---\left(I\right)$

式(I)中f_AOD为单个声光偏转器工作时的中心频率；

声光调制器到二维声光偏转器的间距D，D＝L±10％L，其中L满足公式(II)要求，

$L={\mathrm{GDD}}_M\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}}\right)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中GDD_M为光路中所有材料引入的群延时色散，λ为入射激光光波的波长，c为光速，v为超声波在声光调制器晶体中的传播速度。

本发明装置可以同时补偿二维声光偏转器引入的空间色散和时间色散，提高激光束的聚焦质量和多光子激发效率，光路简单便于调节，且激光束在系统中的透过率高。适用于飞秒激光存储、成像和激光微加工等领域，特别适用于激光束的随机扫描，方便工业的大范围推广应用。

附图说明

图1为本发明二维扫描装置的一种结构的示意图。

图2(a)为图1的左视图，图2(b)、2(c)、2(d)为可以实现相同功能的不同结构。

图3为激光器出射的激光经声光调制器补偿色散后通过二维声光偏转器直接打在光屏上测量光斑形状的实验光路。

图4为激光器出射的激光经二维声光偏转器后直接打在光屏上测量光斑形状的实验光路。

图5(a)为经过声光调制器补偿后的光斑，(b)为未经过声光调制器补偿的光斑，(c)前两种结构下光斑边缘的比较图。从对比图中可以看出，空间色散补偿效果明显。

图6为不同状态下超短脉冲激光的时间半宽图。初始脉宽为120飞秒的脉冲激光在经过两个声光偏转器后(如图4装置)被展宽为572飞秒，经声光调制器补偿后(如图3装置)脉冲宽度被压回到128飞秒。

图7为整个系统在二维声光偏转器不同频率点的透过效率，整个系统透过率在50％～70％。

图8为使用补偿好的光路搭建成像系统的结构示意图。

图9为使用图8所示光路搭建显微镜扫描得到的170纳米荧光小球全场扫描图片。

图10为以170纳米小球为样品对所搭建的显微镜作X、Y、Z轴分辨率测量的结果。

图11为在声光调制器1后设置一对共焦透镜的等价结构示意图。

图12为将声光调制器1横向放置的其中一种结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2(a)所示，本发明装置包括位于同一光路上的声光调制器(Acoustic-Optical Modulator，AOM)1和二维声光偏转器，二维声光偏转器由正交放置的两个声光偏转器2和3构成。声光偏转器2和3与声光调制器1夹角为45±5度或135±5度。在声光调制器1与声光偏转器2和3夹角均为45度或135度时色散补偿效果更好。当声光调试器1使用正一级光衍射时，声光偏转器2和3均使用负一级衍射光；当声光调制器1使用负一级衍射光时，声光偏转器2和3均使用正一级衍射光。

除了上述结构外，以下三种结构均可以达到同样目的，如图2(b)、2(c)、2(d)所示。当使用图2(b)所示结构时，当声光调制器1使用正一级衍射光，声光偏转器2使用负一级衍射光，声光偏转器3使用正一级衍射光；当声光调制器1使用负一级衍射光，声光偏转器2使用正一级衍射光，声光偏转器3使用负一级衍射光。当使用图2(c)所示结构时，当声光调制器1使用正一级衍射光，声光偏转器2使用正一级衍射光，声光偏转器3使用负一级衍射光；当声光调制器1使用负一级衍射光，声光偏转器2使用负一级衍射光，声光偏转器3使用正一级衍射光。当使用图2(d)所示结构时，当声光调制器1使用正一级衍射光，声光偏转器2和3均使用正一级衍射光；当声光调制器1使用负一级衍射光，声光偏转器2和3均使用负一级衍射光。在搭建光路时可以根据实际情况选择合适方案。

声光调制器1的调制频率为f_AOM，f_AOM＝f±10％f，可以补偿二维声光偏转器的空间色散。f_AOM越大，空间补偿量越大，在调制频率f_AOM＝f时空间补偿效果最优。f满足公式I要求：

$f=\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}---\left(I\right)$

其中f_AOD为单个声光偏转器工作时的中心频率。

设声光调制器1到二维声光偏转器的间距为D，D＝L±10％L。调节声光调制器1到二维声光偏转器的间距D可以调节时间色散的补偿量，两者呈正比关系。当声光调制器1到二维声光偏转器的间距大于L时会引入负的时间色散，在间距D为L时，完全补偿时间色散。L满足公式II要求，

$L={\mathrm{GDD}}_M\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}}\right)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

其中GDD_M为光路中所有材料引入的群延时色散，f_AOD为声光偏转器工作的中心频率，λ为入射激光光波的波长，c为光速，v为超声波在声光调制器的声光晶体中的传播速度。

在使用二维声光偏转器对超短短脉冲激光进行扫描时，本装置可以准确的补偿由于使用声光偏转器扫描超短脉冲激光时引入的空间色散和时间色散。最大透过效率与使用棱镜补偿的方法相比要高10％。

实例1

如图3搭建试验光路。激光器4入射激光(中心波长800纳米，带宽10纳米，初始脉宽120飞秒)经过斜向45度放置的声光调制器1，以负一级衍射光出射，声光调制器1的调制频率为135.7MHz。因本实验用声光偏转器对入射光偏振态敏感，故在声光调制器1与二维声光偏转器之间设置1/2波片5。激光束经1/2波片5后到中心工作频率为96MHz的二维声光偏转器。二维声光偏转器均使用正一级衍射光，出射光打在光屏6上，使用CCD 7拍摄光屏上的光斑得到如图5(a)所示的结果。而激光束没有经过补偿直接通过二维声光偏转器打到光屏6上(如图4所示)拍摄得到的光斑如图5(b)所示，其空间补偿效果对比可从图5(c)中看出。

声光调制器1与二维声光偏转器2，3的间距D为58厘米，微调D使经过补偿系统后激光脉冲的时间宽度压回到128飞秒。而将原始激光的脉冲直接经过加电的两个声光偏转器后测量得到脉冲宽度为572飞秒，其时间补偿效果对比可以从图6看出。

对本发明装置在声光偏转器工作在不同频率点下对激光束的透过效率进行测定，得到图7所示实验结果。整个系统透过率在50％～70％。

实例2

把空间和时间都补偿好后的激光束导入显微镜物镜8(实验使用60倍油镜，NA＝1.24)，光路如图8所示。使用二色镜9反射激发光和透过信号光，利用PMT 10进行信号探测。扫描170纳米荧光小球样品11得到实验图片如图9所示，分析X、Y轴分辨率，测得分别为374和385纳米，如图10(a)、10(b)所示。使用PZT做Z轴分辨率测量，得到Z轴最小分辨率为1.1微米，如图10(c)所示。

对于声光调制器1，其调制频率往往较高(如补偿一个中心工作频率为96MHz的二维声光偏转器的色散，声光调制器1的调制频率需要加载到135.74MHz)。对于近红外或红外激光，制作一个调制频率较高的声光调制器技术上存在一些困难。我们可以选用一个调制频率较低的声光调制器1和一组共焦透镜(12、13)，可以实现同样的补偿效果。具体实施方法如图11所示，沿光路方向，在声光调制器1与二维声光偏转器之间依次设置共焦的第一、第二透镜12、13。第一透镜12焦距为f1，第二透镜13的焦距f2，声光调制器1位于第一透镜12的前焦点F₁处，声光调制器1的频率为f_AOM’，f_AOM’满足公式III要求。

${f_{\mathrm{AOM}}}^{\′}=\frac{f2}{f1}{f}_{\mathrm{AOM}}---\left(\mathrm{III}\right)$

二维声光偏转器位于与第二透镜13的后焦点F_2’相距D的位置。声光调制器使用的衍射光级次与不使用共焦透镜组时的衍射光级次符号相反。此等价光路结构可以实现使用一个调制频率较低的声光调制器补偿二维声光偏转器的色散，取得同样的补偿效果。这使得该装置的具体实施较为容易。

声光调制器1通常与水平面呈45度夹角放置(如图1和2(a)所示)。由于声光调制器入射光与衍射光可能不共轴，上述结构中光束出射声光调制器1后其高度可能会发生变化，这不便于系统设计和集成封装。若将声光调制器1水平方向放置(如图12所示)，后面的二维声光偏转器与水平而呈45±5度夹角，此时光路中光束高度不变，这会方便光路的搭建。

Claims (3)

1、一种超短脉冲激光扫描装置，其特征在于：该装置包括位于同一光路上的声光调制器(1)和二维声光偏转器，所述二维声光偏转器由正交放置的两个声光偏转器(2、3)构成，其中一个声光偏转器与声光调制器(1)的夹角为45±5度或135±5度；所述两个声光偏转器(2、3)相同，声光调制器(1)的频率f_AOM＝f±10％f，其中，f满足公式(I)要求：

$f=\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}---\left(I\right)$

式(I)中f_AOD为单个声光偏转器工作时的中心频率；

声光调制器(1)到二维声光偏转器的间距D，D＝L±10％L，其中L满足公式(II)要求，

$L={\mathrm{GDD}}_M\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{\sqrt{2}{f}_{\mathrm{AOD}}}\right)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中GDD_M为光路中所有材料引入的群延时色散，λ为入射激光光波的波长，c为光速，v为超声波在声光调制器(1)晶体中的传播速度。

2、根据权利要求1所述的超短脉冲激光扫描装置，其特征在于：声光调制器(1)水平方向放置，其中一个声光偏转器与水平面呈45±5度夹角。

3、根据权利要求1或2所述的超短脉冲激光扫描装置，其特征在于：沿光路方向，在声光调制器(1)与二维声光偏转器之间依次设置共焦的第一、第二透镜(12、13)；第一透镜(12)焦距为f1，第二透镜(13)的焦距f2，声光调制器(1)位于第一透镜(12)的前焦点F₁处，声光调制器(1)的频率为f_AOM’，f_AOM’满足公式III要求：

f_AOM′＝f2/f1f_AOM    (III)

二维声光偏转器位于与第二透镜(13)的后焦点F2’相距D的位置。

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