CN101666916A - 可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属应用光学领域。涉及可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法及系统。本发明利用宏微结合的三维纳米精密移动台及运动控制系统驱动精密光学系统，实现对一定频率的激光光束在XY平面上的灵活调节与纳米级精确定位，同时实现对激光光斑在Z轴方向上的精确聚焦，以获得可控亚微米直径的激光光斑。本系统可实现输出0.5～2微米的聚焦激光光斑在X、Y、Z轴方向的纳米级精确定位。

Description

可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法及系统

技术领域

本发明属应用光学领域。涉及可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法及系统。

背景技术

自从1960年第一台激光器诞生以来，这种高亮度、方向性和相干性好的光源被迅速应用于许多领域，如激光加工、激光精密测量与定位、激光全息术、光信息处理、光通讯以激光计算机等领域。大大加速了世界科技及工业技术的发展，使得人类社会进入了一个崭新的时代。全球科技工作者对各种性能的激光本身及其应用的研究正方兴未艾，我国在此领域的研究也获得了丰硕成果，并拥有一定的自主知识产权。

激光光束为高斯光束，根据激光光束在各种不同介质中的传输形式和传输规律，可设计并研制出具有特定功能的激光光学系统，以实现其在应用光学领域的重要应用。其中，如何设计并实现一种能对这种高斯光束进行灵活准直、聚焦、精确定位并获得亚微米直径的微小光斑，将在激光微加工、精密动态定位、激光热辅助等领域具有极其重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法，以及基于此方法的光机电一体化实用激光光学系统。此系统可实现对一定频率的激光光束在XY平面上的灵活调节与精确定位，同时实现对激光光斑在Z轴方向上的精确聚焦以获得亚微米直径光斑及较高的功率密度。

本发明所述的可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法，是利用宏微结合的三维纳米精密移动台[三维宏动台：分辨率为1.0μm(X)×1.0μm(Y)×1.0μm(Z)，最大行程为5mm(X)×5mm(Y)×100mm(Z)；三维微动台：分辨率为3.0nm(X)×3.0nm(Y)×2.5nm(Z)，最大行程为30μm(X)×30μm(Y)×25μm(Z)]及运动控制系统驱动光学系统以实现XY平面内的跟踪伺服(实现在XY平面上的激光束精确定位)，以及Z轴方向上的聚焦伺服(实现在Z轴方向上的精确聚焦)，通过精密可调光学系统对激光器输出的1mm直径(发散角小于0.7mrad)的激光束进行调节(其中，系统中的平场物镜放大倍数为40倍，数值孔径为0.6，工作距离为3.7±0.2mm)，可实现纳米级定位精度下的可控亚微米(0.5~2μm)直径激光光斑的输出。

上述的整个装置(如图1和图2所示)主要由光学系统(包括激光光源、分束器、聚焦系统及高分辨CCD探测器等部件)、机械伺服系统(宏微结合的三维纳米精密位移平台及运动控制系统)以及计算机控制及数据处理系统三部分构成。所述三部分的基本特征与主要功能如下：1)光学系统主要对激光器(如：波长为405nm的半导体蓝紫激光器)发射的直径约1mm(发散角小于0.7mrad)的激光束进行分束、准直、聚焦并探测，以实现对激光束位置和光斑的尺寸及能量的实时调控与监测；2)机械伺服系统主要对输出激光束传输系统进行纳米级定位精度下的方位调节，以实现最终输出激光光斑的跟踪伺服和聚焦伺服；3)计算机控制及数据处理系统为以上两部分的控制中心，具有数据处理、监测及系统控制功能，以确保实现整个系统按照指令运行，确保获得纳米级定位精度下的亚微米直径激光光斑的输出。

本发明所涉及的系统的关键技术在于通过可调精密光学系统对激光器输出的约1mm直径(发散角小于0.7mrad)的激光束进行精密可控调节，并在高分辨CCD监控下(成像单元为1/2英寸，有效像素为1620×1236)，利用宏微结合的三维纳米精密移动台驱动光学系统，先由运动控制器驱动三维微米移动台进行长程宏动寻的，然后转换驱动三维纳米精密移动台渐近寻的，最终实现XY平面内的跟踪伺服和Z轴方向的聚焦伺服。本系统可实现输出0.5~2微米的聚焦激光光斑在X、Y、Z轴方向的纳米级精确定位。

附图说明

图1是根据本发明原理研制的光机电一体化系统I原理示意图。

图2是根据本发明原理研制的光机电一体化系统II原理示意图。

图3使用实验系统I在商用磁头上的聚焦定位测试照片。

图4使用实验系统II对波长为405nm、光束直径约为1mm(发散角小于0.7mrad)的蓝紫激光束聚焦定位测试照片。

具体实施方式

实施例1

结合图1，进一步描述本发明，图1为光机电一体化系统I原理示意图。①为半导体激光器，输出波长为405nm的蓝紫色激光，输出功率0~55mW可调；经准直系统②后，可输出直径约为1mm的激光光束，发散角小于0.7mrad；激光束经70％反射镜③后，反射光入射到10×可调显微镜筒④中；出射光束经1000×激光聚焦镜⑤聚焦到接收器⑥上；再经⑥反射后，反射光依次经过显微镜筒④、30％透射镜③、聚焦系统⑧，成像于高分辨CCD探测器⑨上(其成像单元为1/2英寸，有效像素为1620×1236)；通过数据线将CCD获得的数据图像呈于电脑⑩显示器上；实验人员可根据对所得数据的分析，经电脑发出指令，通过三维宏微结合纳米移动台⑦，驱动光学系统④和⑤，实时地实现对激光束在接收器⑥的XY平面内的精确定位(即跟踪伺服)和在Z轴方向上的精确聚焦(即聚焦伺服)。从而确保获得纳米级定位精度下的亚微米直径(0.5~2μm)激光光斑的稳定输出。

实验中，采用本发明研制的系统I对商用磁盘检测系统Guzik的下磁头进行了聚焦定位测试。测试结果如图3所示，获得了聚焦光斑直径小于2μm的激光光斑。

实施例2

结合图2进一步描述本发明。图2为光机电一体化系统II原理示意图。①为半导体激光器，输出波长为405nm的蓝紫色激光，输出功率0~55mW可调；经准直系统②后，可输出直径约为1mm的激光光束，发散角小于0.7mrad；激光束经全反射镜③’后，反射光入射到70％透射30％反射分束镜③”上；出射光束经40×放大的无限远共轭平场物镜⑤(其数值孔径为0.6，工作距离为3.7±0.2mm)聚焦到接收器⑥上；再经⑥反射后，反射光再经过70％透射30％反射分束镜③”反射，成像于高分辨CCD探测器⑨上(其成像单元为1/2英寸，有效像素为1620×1236)；通过数据线将CCD获得的数据图像呈于电脑⑩显示器上；实验人员可根据对所得数据的分析，经电脑发出指令，通过三维宏微结合纳米移动台⑦，驱动光学系统③”和⑤’，实时地实现对激光束在接收器⑥的XY平面内的精确定位(即跟踪伺服)和在Z轴方向上的精确聚焦(即聚焦伺服)。从而确保获得纳米级定位精度下的亚微米直径(0.5~2μm)激光光斑的稳定输出。

与实施方式一比较，实施方式二的光学系统作了简化，主要是为了在输入激光条件不变的情况下，尽量减少光学元件对405nm激光的吸收，最终在接收器⑥上可以获得更高的输出功率。同时采用了无限远共轭平场物镜⑤，CCD成像镜筒前后为一块平凸透镜和一块平凹透镜，镜筒通过一个C型的转接环接在CCD上，可对平行光成像。无限远共轭平场物镜、前置成像镜筒及高分辨CCD探测器，三者构成一套无限远共轭显微成像系统。因此，在无限远共轭平场物镜⑤的约3.7±0.2mm的工作距离上，能同时实现聚焦和成像，从而使实验人员能实时调控激光光斑的聚焦状况，实现纳米级定位精度下的亚微米直径(0.5~2μm)激光光斑的稳定输出。

实验中，采用本发明研制的系统II对波长为405nm、光束直径约为1mm(发散角小于0.7mrad)的蓝紫激光束聚焦定位测试。测试结果如图4所示，获得了聚焦光斑直径约为1μm的激光光斑。

Claims (6)

1、可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出的方法，其特征是利用宏微结合的三维纳米精密移动台及运动控制系统驱动精密可调光学系统，对激光器输出的1mm直径的激光束进行调节，实现激光光束在XY平面内的跟踪伺服以及在Z轴方向上的聚焦伺服，实现纳米级定位精度下的可控亚微米直径激光光斑的输出。

2、按权利要求1所述的方法，其特征是所述的激光器输出的1mm直径的激光束其发散角小于0.7mrad。

3、按权利要求1所述的方法，其特征是所述的可控亚微米为0.5~2μm。

4、基于权利要求1的可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出方法的系统，其特征是该系统主要由光学系统、机械伺服系统以及计算机控制及数据处理系统构成；所述的光学系统包括激光光源、分束器、聚焦系统及高分辨CCD探测器部件，所述的机械伺服系统包括宏微结合的三维纳米精密位移平台及运动控制系统。

5、按权利要求4所述的基于权利要求1的可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出方法的系统，其特征是所述的宏微结合的三维纳米精密移动台：分辨率为1.0μm(X)×1.0μm(Y)×1.0μm(Z)，最大行程为5mm(X)×5mm(Y)×100mm(Z)；三维微动台：分辨率为3.0nm(X)×3.0nm(Y)×2.5nm(Z)，最大行程为30μm(X)×30μm(Y)×25μm(Z)。

6、按权利要求4所述的基于权利要求1的可实现聚焦和跟踪伺服以获得可控亚微米直径激光光斑输出方法的系统，其特征是所述的光学系统为可调精密光学系统，对激光器发射的直径1mm、发散角小于0.7mrad的激光束进行分束、准直、聚焦并探测，实现对激光束和光斑的尺寸及其能量的实时调控及监测；所述的机械伺服系统对输出激光束传输系统进行纳米级定位精度下的方位调节，实现最终输出激光光斑的跟踪伺服和聚焦伺服；所述的计算机控制及数据处理系统为以上两部分的控制中心，进行数据处理、监测及系统控制。

Images