CN101738815B - 激光三维扫描装置和激光三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光三维扫描装置和激光三维扫描方法，所述激光三维扫描装置包括沿光路方向顺序放置的第一透射光栅、第二透射光栅、第三透射光栅、第一声光偏转器、第二声光偏转器、第一透镜、第一半波片、第二透镜、第三声光偏转器、第三透镜、第二半波片、第四透镜、第四声光偏转器、显微物镜。所述激光三维扫描方法包括：向第一声光偏转器和第二声光偏转器注入周期性声波；向第三声光偏转器和第四声光偏转器注入啁啾声波。所述激光三维扫描装置通过采用四个声光偏转器实现三维扫描，因为现有的声光偏转器已完全可以达到微秒级的声光互作用时间，所以激光三维扫描装置完全可以实现在XYZ三维方向的微秒级快速扫描。

Description

激光三维扫描装置和激光三维扫描方法

【技术领域】

本发明涉及一种激光三维扫描装置和激光三维扫描方法。

【背景技术】

飞秒激光凭借其脉冲持续时间短、单脉冲能量低、峰值功率高等众多优点，在显微成像、光存储和微加工等众多领域获得了广泛的应用。但飞秒激光的快速三维扫描技术仍然难以实现，从而制约了其进一步推广应用。目前的激光扫描技术主要存在两个方面的不足：(1)、尽管XY方向的二维扫描速度已经可以达到微秒量级，但Z方向的扫描速度仍停留在毫秒量级；(2)、现有的激光扫描技术主要针对的是连续激光光源，而不是飞秒激光等超短脉冲光源。

声光偏转器基于声光效应，可以实现激光的微秒级快速扫描，因而被广泛用于操控激光。但声光偏转器用于扫描飞秒激光时会遇到严重的色散问题，色散包括空间色散和时间色散。

声光偏转器中包含的声光晶体是一种高色散介质，飞秒激光经过声光晶体后脉冲将会被严重展宽，这一效应称为时间色散(如图1所示)。同时，经过声光偏转器后的光束偏转角具有波长相关性，导致光束发散变形，这一效应称为空间色散(如图2所示)。这两种色散效应使得飞秒激光的优点不复存在，因此，声光偏转器用于操控飞秒激光所需要解决的首要问题就是色散效应。

图3为基于棱镜补偿色散的飞秒激光二维扫描装置的示意图。该飞秒激光二维扫描装置采用两个声光偏转器4、5正交放置的结构，用于实现飞秒激光在XY方向的快速扫描，并采用单个棱镜1同时补偿飞秒激光的时间和空间色散。

图4为基于声光调制器补偿色散的飞秒激光二维扫描装置的示意图。该飞秒激光二维扫描装置也采用两个声光偏转器7、8正交放置的结构用于实现XY方向的快速扫描，并采用单个声光调制器6同时补偿飞秒激光的时间和空间色散。

尽管上述两种方案都实现了飞秒激光的快速无色散扫描，但它们都只能实现飞秒激光在XY平面内的快速扫描，而不能实现飞秒激光在Z方向的快速扫描。对于Z方向的扫描，仍然只能通过机械移动显微物镜的方法来实现，其扫描速度最快也只能达到毫秒量级。

【发明内容】

有鉴于此，有必要针对飞秒激光二维扫描装置在Z方向的扫描速度只能达到毫秒量级的问题，提供一种在XYZ三维方向的扫描速度都能达到微秒量级的激光三维扫描装置。

一种激光三维扫描装置，包括沿光路方向顺序放置的第一透射光栅、第二透射光栅、第三透射光栅、第一声光偏转器、第二声光偏转器、第一透镜、第一半波片、第二透镜、第三声光偏转器、第三透镜、第二半波片、第四透镜、第四声光偏转器、显微物镜；

所述第二声光偏转器、第一透镜、第一半波片、第二透镜、第三声光偏转器、第三透镜、第二半波片、第四透镜、第四声光偏转器均为等间距放置，所述间距等于第一透镜的焦距；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距均相等；

所述第一声光偏转器、第二声光偏转器、第三声光偏转器、第四声光偏转器是完全相同的，所述第一声光偏转器和第二声光偏转器为正交放置，所述第三声光偏转器和第四声光偏转器为平行放置，所述第四声光偏转器放置在显微物镜的后焦面上；

所述第一透射光栅和第二透射光栅是完全相同的，所述第一透射光栅和第二透射光栅的间距为L，所述L需要满足如下公式：

$\frac{{\mathrm{\λ}}^{3}L}{2{\mathrm{\πc}}^2{d}_1^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{d1}}=4{\mathrm{GDD}}_m$

其中λ为真空中激光波长，c为真空中光速，d₁为第一透射光栅的光栅常数，θ_d1为第一透射光栅的衍射角，GDD_m为单个声光偏转器的群延时色散量；

所述第三透射光栅的光栅常数d₃需要满足如下公式：

$\frac{1}{d_3\cos {\mathrm{\θ}}_{d3}}=\sqrt{2}\frac{f_c}{v}$

其中θ_d3为第三透射光栅的衍射角，f_c为声光偏转器的中心频率，v为声波在声光晶体中的传输速度；

所述第三透射光栅的光栅线与X方向的夹角为45度。

优选的，所述激光为飞秒激光。

优选的，所述显微物镜的放大倍数为10倍，焦距为18mm，第一声光偏转器中的声光晶体为TeO₂，声波在声光晶体中的传输速度为650m/s，中心频率为96MHz，带宽为36MHz，单个声光偏转器的群延时色散量为7000fs²，第一透射光栅27和第二透射光栅28的光栅常数为480线/mm，间距L为10cm，第三透射光栅的光栅常数为180线/mm。

优选的，所述激光为连续激光。

还提供一种使用上述激光三维扫描装置的激光三维扫描方法，包括：向第一声光偏转器和第二声光偏转器注入周期性声波；向第三声光偏转器和第四声光偏转器注入啁啾声波。

优选的，还包括通过编程控制向第一声光偏转器和第二声光偏转器注入周期性声波的频率。

优选的，还包括通过编程控制向第三声光偏转器和第四声光偏转器注入啁啾声波的频率啁啾量。

上述激光三维扫描装置通过采用四个声光偏转器实现三维扫描，因为现有的声光偏转器已完全可以达到微秒级的声光互作用时间，所以上述激光三维扫描装置完全可以实现在XYZ三维方向的微秒级快速扫描。配合三个透射光栅可以完全消除色散问题。

【附图说明】

图1为时间色散展宽脉冲的示意图。

图2为空间色散使光斑发散的示意图。

图3为基于棱镜补偿色散的飞秒激光二维扫描装置的示意图。

图4为基于声光调制器补偿色散的飞秒激光二维扫描装置的示意图。

图5为激光三维扫描装置的示意图。

图6为飞秒激光在XY方向的扫描范围与声光偏转器工作频率的关系曲线。

图7为飞秒激光在Z方向的扫描范围与声光偏转器啁啾系数的关系曲线。

图8为二维声光偏转器空间色散的示意图。

图9为声光偏转器的渡越时间示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

图5为激光三维扫描装置的示意图。激光三维扫描装置包括沿光路方向顺序放置的第一透射光栅27、第二透射光栅28、第三透射光栅29、第一声光偏转器23、第二声光偏转器24、第一透镜32、第一半波片30、第二透镜33、第三声光偏转器25、第三透镜34、第二半波片31、第四透镜35、第四声光偏转器26、显微物镜36。

第一透射光栅27、第二透射光栅28、第三透射光栅29用于实现飞秒激光的时间和空间色散补偿。

第一声光偏转器23和第二声光偏转器24为正交放置，注入稳定周期性声波，用于实现XY方向扫描。第三声光偏转器25和第四声光偏转器26为平行放置，注入啁啾声波，用于实现Z方向扫描。第四声光偏转器26放置在显微物镜36的后焦面上。

第一透镜32、第二透镜33、第三透镜34、第四透镜35的焦距均相等。第三透镜34和第四透镜35是共焦的，用于将第三声光偏转器25反向成像在第四声光偏转器26的位置。

第一半波片30和第二半波片31用于改变飞秒激光的偏振态。因为声光偏转器工作时需要入射光为线偏振e光，而其出射光经过声光作用后变为线偏振o光，其偏振方向与e光相差90度，为了满足第三声光偏转器25和第四声光偏转器26对入射光偏振态的要求，需采用半波片改变飞秒激光的偏振方向。

显微物镜36用于聚焦扫描光束。

第二声光偏转器24、第一透镜32、第一半波片30、第二透镜33、第三声光偏转器25、第三透镜34、第二半波片31、第四透镜35及第四声光偏转器26均为等间距放置，该间距等于第一透镜32的焦距。

以下详细说明激光三维扫描装置实现XY方向扫描的原理。

飞秒激光进入声光偏转器后，在声光晶体中发生布拉格衍射效应，其一级衍射光束相对于入射光束发生一定角度的偏转：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λf}}{v}---\left(I\right)$

其中θ为偏转角，λ为真空中激光波长，f为声光偏转器工作频率，v为声光晶体中的声波传输速度。

由上式可知，当声光偏转器工作频率f改变时，出射光束的方向也将发生改变。因此，通过改变声光偏转器中的声波频率f即可实现飞秒激光在一维方向上的扫描。采用如图5所示的正交放置的第一声光偏转器23和第二声光偏转器24即可实现飞秒激光在XY方向的二维扫描。

此外，由(I)式可知，激光的扫描角度与声光偏转器的频率带宽Δf成正比，其XY方向扫描范围由下式决定：

$\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy}=\frac{\mathrm{\λ\Δf}}{v}{F}_{\mathrm{Obj}}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中F_Obj为显微物镜焦距。

图6为飞秒激光在XY方向的扫描范围与声光偏转器工作频率的关系曲线。在这个实施例中，显微物镜的放大倍数为10倍，焦距为18mm，声光偏转器的晶体材料为TeO₂，晶体中声波传输速度为v＝650m/s，中心频率为f_c＝96MHz，带宽为36MHz，飞秒激光的波长为800nm，飞秒激光在XY方向的扫描范围大致为800μm×800μm。

以下详细说明激光三维扫描装置实现Z方向扫描的原理。

当声光偏转器中注入的是稳定的周期性声波时，其所起的作用相当于一个衍射光栅，可实现激光的横向偏转。而当声光偏转器中注入的是啁啾声波(即声波的频率并非稳定，而是随时间迅速变化)时，其不但能使光束发生横向偏转，而且将形成一种柱透镜效应，使光束在轴向进行聚焦(或发散)。因此，通过在声光偏转器中注入啁啾声波的方式，可以实现光束在Z方向的扫描。

第三声光偏转器25和第四声光偏转器26形成的声光柱透镜的焦距由下式决定：

$F_{\mathrm{AOL}}=\frac{v^2}{2\mathrm{\λ\α}}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中α为声光偏转器中注入声波的啁啾系数。

第三声光偏转器25、第四声光偏转器26、显微物镜36形成的组合透镜的焦距为：

$F_{\mathrm{Total}}=\frac{F_{\mathrm{Obj}}{F}_{\mathrm{AOL}}}{F_{\mathrm{Obj}}+F_{\mathrm{AOL}}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

飞秒激光在Z方向的扫描范围为：

Δz＝F_Total-F_Obj    (V)

图7为飞秒激光在Z方向的扫描范围与声光偏转器啁啾系数的关系曲线。在这个实施例中，显微物镜36的放大倍数为10倍，焦距为18mm，声光偏转器的晶体材料为TeO₂，晶体中声波传输速度为v＝650m/s，中心频率为f_c＝96MHz，带宽为36MHz，飞秒激光的波长为800nm，啁啾系数α的变化范围为[-1MHz/μs，1MHz/μs]，飞秒激光在Z方向的扫描范围约为2.5mm。

以下详细说明激光三维扫描装置进行时间色散补偿的原理。

飞秒激光经过声光偏转器后，由于不同波长的光谱成分在声光晶体中的传输速度不同，导致脉冲在时域上展宽，这一效应被称为时间色散(如图1所示)。在激光三维扫描装置中，主要的时间色散来源于声光偏转器中的声光晶体(其它的光学器件如透镜、波片等带来的色散量相对较小，可不考虑)。常用的声光晶体材料为TeO₂，是一种高色散介质，其群延时色散表达式为：

${\mathrm{GDD}}_m=\frac{{\mathrm{\λ}}^3}{{2\mathrm{\πc}}^2}\frac{d^{2}n}{{\mathrm{d\λ}}^2}\·l---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中c为真空中光速，n为介质折射率，l为晶体厚度。

单个声光偏转器引入的群延时色散量约为7000fs²，那么四个声光偏转器引入的群延时色散量约为28000fs²。当入射飞秒激光脉宽为100fs时，到达显微物镜36后的脉冲将被展宽为约800fs，并严重降低其峰值功率，从而使飞秒激光的优点不复存在。

在激光三维扫描装置中，采用第一透射光栅27和第二透射光栅28进行时间色散补偿。为了提高系统的透过率，选用深刻痕的透射光栅，其透过率可以达到90％以上。光栅作为一种角色散器件可以提供负的群延时色散，用于补偿声光晶体所引入的正群延时色散，从而压缩脉冲。第一透射光栅27和第二透射光栅28所需要满足的条件由下式决定：

$\frac{{\mathrm{\λ}}^{3}L}{{2\mathrm{\πc}}^2{d}_1^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{d1}}={4\mathrm{GDD}}_m---\left(\mathrm{VII}\right)$

其中λ为真空中激光波长，c为真空中光速，d₁为第一透射光栅27的光栅常数，θ_d1为第一透射光栅27的衍射角，GDD_m为单个声光偏转器的群延时色散量。选取光栅常数为480线/mm的光栅，在衍射角θ_d为30度时，调整第一透射光栅27和第二透射光栅28的间距L为10cm即可完全补偿四个声光偏转器带来的时间色散。

以下详细说明激光三维扫描装置进行空间色散补偿的原理。

由(I)式可知，当飞秒激光经过声光偏转器时，不同波长的光谱成分将沿不同方向传输，使光束具有一定的发散角，这一效应被称为空间色散(如图2所示)。描述这一效应的参数为：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{f}{v}---\left(\mathrm{VIII}\right)$

在激光三维扫描装置中，第一声光偏转器23和第二声光偏转器24为正交放置，因此在XY两个方向都受到空间色散的影响，其综合效果是将圆形的光斑拉伸为一个倾斜的椭圆形光斑(如图8所示)。当两个声光偏转器都工作在相同频率时，该倾斜角度为45度。采用第三透射光栅29对空间色散进行补偿，由于需兼顾XY两个方向的色散补偿，因此，需将第三透射光栅29的光栅线倾斜放置，使其与XY轴的夹角均为45度。第三透射光栅29所需满足的条件由下式决定：

$\frac{1}{d_3\cos {\mathrm{\θ}}_{d3}}=\sqrt{2}\frac{f_c}{v}---\left(\mathrm{IX}\right)$

其中d₃为第三透射光栅29的光栅常数，θ_d3为第三透射光栅29的衍射角，f_c为声光偏转器中心频率，v为声波在声光晶体中的传输速度。当声光偏转器的中心频率为96MHz，晶体中声波传输速度为650m/s，光栅衍射角为30度时，选取光栅常数为180线/mm的光栅，即可完全补偿第一声光偏转器23和第二声光偏转器24带来的空间色散。

此外，第三声光偏转器25和第四声光偏转器26为平行放置，第三声光偏转器25通过第三透镜34和第四透镜35反向成像在第四声光偏转器26上，由于第三声光偏转器25和第四声光偏转器26的工作频率总是相同，由(VIII)式可知，其空间色散的大小相等，方向相反，从而可以互相抵消，而不用额外进行色散补偿。

以下详细说明激光三维扫描装置实现微秒级快速扫描的原理。

采用声光偏转器进行飞秒激光扫描的速度主要取决于声光偏转器中的声波渡越时间(也称为声光互作用时间，定义为声波通过整个光束直径所需的时间，如图12所示)。现有的声光偏转器已完全可以达到微秒级的声光互作用时间。当声光偏转器的通光孔径D等于4.2mm，晶体材料为TeO₂，设计为慢切变波模式，超声波在晶体中的传输速度v等于650m/s时，其最大渡越时间τ＝D/v＝6.5μs。当入射光束尺寸减小时，其渡越时间还可以更小。因此，采用声光偏转器完全可以实现飞秒激光在XYZ三维方向的微秒级快速扫描。

由以上分析可以看到，上述激光三维扫描装置可以实现飞秒激光在XYZ三维方向的微秒级快速扫描，并完全消除飞秒激光的时间和空间色散效应，可广泛应用于飞秒激光三维生物成像、生物刺激以及光存储和微加工等领域。

此外，上述激光三维扫描装置特别适用于对感兴趣区域进行快速跳跃式扫描，在这一应用中，使用者往往只希望飞秒激光在其感兴趣的区域进行快速扫描，而不希望扫描其它非感兴趣区域。上述激光三维扫描装置完全能够实现这一功能：通过编程控制第一声光偏转器23和第二声光偏转器24中注入的声波频率，即可实现飞秒激光在XY方向感兴趣的区域进行快速跳跃式扫描。通过编程控制第三声光偏转器25和第四声光偏转器26中的频率啁啾量，即可实现飞秒激光在Z方向感兴趣的位置进行快速跳跃式扫描。

最后需要指出的是，上述激光三维扫描装置虽然主要针对的是飞秒激光的快速三维扫描，但实际上也完全可以应用于连续激光：因为连续激光的单色性较好，空间色散和时间色散的影响都较小，因此，不需要进行色散补偿即可正常使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种激光三维扫描装置，其特征在于：包括沿光路方向顺序放置的第一透射光栅、第二透射光栅、第三透射光栅、第一声光偏转器、第二声光偏转器、第一透镜、第一半波片、第二透镜、第三声光偏转器、第三透镜、第二半波片、第四透镜、第四声光偏转器、显微物镜；

所述第二声光偏转器、第一透镜、第一半波片、第二透镜、第三声光偏转器、第三透镜、第二半波片、第四透镜、第四声光偏转器均为等间距放置，所述间距等于第一透镜的焦距；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距均相等；

所述第一声光偏转器、第二声光偏转器、第三声光偏转器、第四声光偏转器是完全相同的，所述第一声光偏转器和第二声光偏转器为正交放置，所述第三声光偏转器和第四声光偏转器为平行放置，所述第四声光偏转器放置在显微物镜的后焦面上；

所述第一透射光栅和第二透射光栅是完全相同的，所述第一透射光栅和第二透射光栅的间距为L，所述L需要满足如下公式：

$\frac{{\mathrm{\λ}}^{3}L}{2\mathrm{\π}{c}^2{d}_1^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{d1}}=4{\mathrm{GDD}}_m$

其中λ为真空中激光波长，c为真空中光速，d₁为第一透射光栅的光栅常数，θ_d1为第一透射光栅的衍射角，GDD_m为单个声光偏转器的群延时色散量；

所述第三透射光栅的光栅常数d₃需要满足如下公式：

$\frac{1}{d_3\cos {\mathrm{\θ}}_{d3}}=\sqrt{2}\frac{f_c}{v}$

其中θ_d3为第三透射光栅的衍射角，f_c为声光偏转器的中心频率，ν为声波在声光晶体中的传输速度；

所述第三透射光栅的光栅线与X方向的夹角为45度。

2.根据权利要求1所述的激光三维扫描装置，其特征在于：所述激光为飞秒激光。

3.根据权利要求1所述的激光三维扫描装置，其特征在于：所述显微物镜的放大倍数为10倍，焦距为18mm，第一声光偏转器中的声光晶体为TeO₂，声波在声光晶体中的传输速度为650m/s，中心频率为96MHz，带宽为36MHz，单个声光偏转器的群延时色散量为7000fs²，第一透射光栅(27)和第二透射光栅(28)的光栅常数为480线/mm，间距L为10cm，第三透射光栅的光栅常数为180线/mm。

4.根据权利要求1所述的激光三维扫描装置，其特征在于：所述激光为连续激光。

5.一种使用权利要求1所述的激光三维扫描装置的激光三维扫描方法，包括：

向第一声光偏转器和第二声光偏转器注入周期性声波；

向第三声光偏转器和第四声光偏转器注入啁啾声波。

6.根据权利要求5所述的激光三维扫描方法，其特征在于：还包括通过编程控制向第一声光偏转器和第二声光偏转器注入周期性声波的频率。

7.根据权利要求5所述的激光三维扫描方法，其特征在于：还包括通过编程控制向第三声光偏转器和第四声光偏转器注入啁啾声波的频率啁啾量。

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