CN102192706B

CN102192706B - 一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置及方法

Info

Publication number: CN102192706B
Application number: CN2010101247588A
Authority: CN
Inventors: 刘新风; 闫永丽; 宁廷银; 裘晓辉
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: CN102192706A

Abstract

本发明涉及一种原位测量聚焦激光光束能量分布的装置和方法。该装置由一支架固定在高精度平移台上，该支架的桌面开有固定小孔部件的孔洞；显微镜镜头垂直于小孔部件设置，在桌面开孔的下方设置收集透镜，该收集透镜通过光纤与探测器连接，该探测器获得透射的激光信号输入给数据处理器，测试数据经数据处理器处理得到激光光斑的能量分布图。测量方法是利用显微镜确定小孔的位置，使激光聚焦在小孔位置；调节和设置探测器的曝光时间，根据所设置的步长进行扫描、曝光，数据处理器给出聚焦激光光斑的能量分布图。本发明利用小孔部件扫描激光光斑，将收集到的激光信号耦合到高灵敏、大动态响应范围的探测器上，实现聚焦光斑能量分布的精确测量。

Description

一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量的装置及方法，特别是涉及一种测量聚焦激光光斑能量分布的装置及方法。

背景技术

激光在工业、医学、军事等领域有着广泛的应用。同样，在科学研究领域，激光也起到非常重要的作用，激光显微拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、双光子荧光显微镜、光镊技术等激光和显微镜耦合装置，均是以激光为基础建立起来的。在具体的实验研究中，经过显微镜镜头聚焦后的激光光斑的形状和能量分布能够提供很多有用的信息，在理论和应用研究方面都有重要的意义。但是，如何实现聚焦后激光斑点能量分布的原位测量仍是一个问题。目前，市场上的激光光束分析装置较难实现激光光斑的原位测量；而普通的激光功率计则只能测量激光光斑的总体能量，不能给出激光光斑能量分布的有关信息。

由于激光光束的能量按高斯分布计算，90％的能量集中在光斑的中心区域。通常采用的面阵CCD/CMOS器件作为感光元件，具有很高的灵敏性，当曝光时间为某一定值时，激光光束中心的光强极易造成感光像元的过饱和，甚至溢出影响周边区域像元的正常工作；另一方面，能量较弱的边缘区域却处于欠曝光状态，大大降低了测量的动态范围，从而影响了激光光斑能量分布测量的范围和精确度。发明专利(专利号：CN 101458067A)给出了一种测量激光光斑的装置和方法，可以快速地测量激光束的质量。该装置由DMD微反射镜阵列、数字相机、曝光控制器和图像数字处理器组成，利用DMD微反射镜阵列器件实现分时、分区改变入射光光路特性，准确控制曝光过程，获得高动态范围的激光束检测图像，经数据处理获得激光束的光束质量的信息。但由于受探测器像元大小的限制，此方法并不适用于聚焦小光斑的测量，并且也不能够实现聚焦激光光斑的原位测量。

扫描法是一种常用的测量激光光斑质量的机械方法，其通过探测器前的刀口、狭缝、或小孔实现光斑的轮廓测量。目前，商业化的刀口、狭缝、或小孔的极限尺寸限制于1微米，造成此法的最小分辨率在1微米左右。然而，经显微镜镜头聚焦后的激光光斑，考虑到激光波长和所用物镜镜头的数值孔径，聚焦后的光斑直径一般微米、乃至亚微米量级。对于聚焦后的激光光斑，此法将会引入较大的误差，甚至无法测量。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术在原位测量及小直径激光光斑测量上的不足；为了实现亚微米级的聚焦光斑的测量，从而提出一种通过显微镜镜头聚焦后激光光斑的原位检测聚焦光斑直径和能量分布的测量装置和方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置，包括探测器和数据处理器；其特征在于：还包括支架、显微镜镜头、收集透镜、光纤、高精度平移台和小孔部件；所述的小孔部件由一块带有氮化硅薄膜凹槽的硅片，并在所述的凹槽表面上镀金薄膜，再利用聚焦离子束技术，在所述的镀金薄膜上刻蚀所需尺寸和形状的通孔；所述的通孔用于透过少量的激光信号，防止探测器的过饱和；所述的支架固定在所述的高精度平移台上，该支架的桌面开有一固定在所述小孔部件的孔；所述的显微镜镜头垂直于小孔部件设置，在支架的桌面开孔的下方设置所述的收集透镜，该收集透镜通过所述的光纤与所述的探测器连接，该探测器获得透射的激光信号输入给数据处理器，测试数据经由数据处理器处理得到激光光斑的能量分布图。

在上述的技术方案中，所述的镀金薄膜的厚度为500-800纳米。

在上述的技术方案中，所述的通孔(即小孔)的形状为圆形；所述的圆形(即小孔)的通孔直径为0.2-0.3微米。

在上述的技术方案中，所述的收集透镜主要用于透射激光信号的收集，选择透光区域包含所测量激光波长的透镜，所述的收集透镜为非球面透镜、平凸透镜或双凸透镜。

在上述的技术方案中，所述的光纤用于耦合激光信号到探测器当中，所选光纤的工作波长应包含激光波长；该光纤为单模或多模光纤。

在上述的技术方案中，所述的高精度平移台为可以进行一维、二维扫描的平移台。

在上述的技术方案中，所述探测器为CCD光电耦合器，用于探测激光信号的相对强度，光谱响应范围包括激光所在波长。

一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的方法，其特征在于：利用本发明的原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置，包括如下步骤：

(1)利用显微镜确定金薄膜上小孔的具体位置，保证小孔处于显微镜的可视范围内；

(2)打开激光，使激光束经物镜镜头聚焦在金薄膜小孔的平面上，通过高精度平移氮化硅薄膜台调整小孔的位置，使之聚焦在小孔位置；

(3)调节和设置探测器的曝光时间，调节曝光时间在探测器处于未饱和状态下，准备进行曝光；

(4)调节高精度平移台的步长和扫描方向，使小孔在激光光斑平面内扫描，根据所设置的步长进行扫描，经曝光记录下各个停留点探测器的相对强度，利用数据处理器再构激光光斑的能量分布图。

本发明原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置和方法相对于已有技术具有如下优点：

本发明的测量装置利用带有极小直径通孔的小孔部件，安装在结合在高精度平移台的支架的台面上，和收集透镜与光纤组成的耦合装置，实现了通过显微镜镜头聚焦后激光光斑的原位测量；克服了传统方法在原位检测中的弱点，而且可以测量亚微米级的聚焦光斑。

附图说明

图1是本发明的原位测量聚焦激光光斑能量分布装置组成图；

图2是本发明的测量装置中使用的带有氮化硅薄膜凹槽的硅片；

图3是实施例1中镀有金薄膜氮化硅窗口上圆形通孔(200纳米)的电镜照片，其中，拍摄角度在30°下拍摄的；

图4是利用实施例1的原位测量装置和方法测得的聚焦激光光斑的能量分布曲线；

图5是实施例2中镀有金薄膜氮化硅窗口上圆形通孔(300纳米)的电镜照片，其中，拍摄角度在30°下拍摄的；

图6是利用实施例2制作的测量装置和方法测得的聚焦激光光斑的能量分布曲线。

图面说明：

1-支架 2-高精度平移台 3-激光束

4-物镜镜头 5-小孔部件 6-收集透镜

7-光纤 8-探测器 9-数据处理器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：

实施例1：

参见附图1，制作一激光光斑能量分布测量装置。

本实施例的小孔部件由以下步骤制得，

(1)选择一片市场上购买的带有氮化硅薄膜窗口的硅片(见附图2)，氮化硅薄膜窗口厚度200纳米；窗口的形状可以是圆形、长方形或正方形；

(2)在该样品表面蒸镀一层金薄膜，薄膜厚度500-800纳米之间均可实施，只要保证氮化硅薄膜不透光；

(3)利用聚焦离子束技术在镀金膜的氮化硅薄膜上刻蚀所需圆形通孔(小孔)，该圆形通孔直径，例如为200-300纳米之间均可以，刻透所镀金薄膜及氮化硅薄膜(见附图3和图5)。

本实施例中选择波长为405纳米的半导体激光器，激光器输出功率为10毫瓦。物镜镜头4选择奥林巴斯100×(数值孔径＝0.9，工作距离＝0.21毫米)的物镜镜头，用于聚焦激光光束。选用的高精度平移台2为Thorlabs公司生产的MAX311/M平移台，最小步长可达20纳米，高精度平移台2可实现对激光截面的扫描(即用于实现小孔在光斑平面内的一维、二维扫描)。收集透镜6为直径为5毫米，焦距6毫米的非球面透镜。探测器8为液氮制冷的高灵敏度CCD，普林斯顿仪器公司的Spec10，探测动态范围为10-65000计数，光谱响应范围为350-800纳米。本实施例的小孔部件5采用上述方法制作，小孔直径200纳米(见附图3)。光纤7用于耦合激光信号到探测器当中，所选光纤的工作波长应包含所要检测的激光光斑的激光波长；光纤为工作范围为400-2200纳米的多模光纤(美国ARC公司生产)，选择光纤的目的还在于节省空间，实现原位测量。数据处理器9用于处理由探测器产生的电压信号，并可以实现对数据处理和分析，最终以图形的方式显现出来。

支架1由一根竖梁和一条形面板组成，该面板垂直与竖梁固定在竖梁的上部，竖梁的底部垂直固定在高精度平移台2上，该高精度平移台2是采用市场上购买的。在该支架1的面板中心开孔，所开的孔直径与硅片大小相配合，即将所述小孔部件5固定在该孔中(参见附图1)。物镜镜头4垂直于小孔部件5上方设置，即垂直对准带有氮化硅薄膜凹槽的硅片上方设置，在相对于支架1的面板开孔的下方设置收集透镜6，该收集透镜6通过光纤7与探测器8连接，激光光束3经物镜镜头4聚焦，小孔部件5经由支架1固定在高精度平移台2上，高精度平移台2可实现对激光截面的扫描，通孔在不同位置时收集到的信号由收集透镜6收集，然后通过光纤7耦合到探测器8中，通过数据处理器9实现光斑能量分布重构。

利用本实施例制作的激光光斑能量分布测量装置进行激光光斑能量分布测量的方法，具体步骤如下：

第一步：按照图1所示把各部件安装完毕，利用显微镜确定通孔在镀金薄膜上的位置，通过高精度平移台调节小孔位置，确保小孔在显微镜可视范围内；

测试中所使用的小孔分布在镀有金薄膜的氮化硅上，因为小孔直径较小(200纳米)，必须借助显微镜确定小孔的位置；具体的方法是，利用FIB刻蚀小孔的同时，在小孔附近做一些标记，使我们能够在光学显微镜下快速准确地确定小孔的位置；

第二步：打开半导体激光器，通过中性衰减片调节激光输出功率，使激光功率值稳定在2毫瓦。调节将激光束引入显微镜镜头的两反射镜的俯仰，使被测激光束经物镜镜头聚焦在镀金薄膜的小孔的平面上，上下调节小孔的位置激光聚焦斑点的中心位置不变，说明激光聚焦状态良好。再通过高精度平移台微调小孔位置，使之恰好聚焦在小孔位置上；

在这一步骤中，需要注意的是，高精度平移台的移动范围有限，需要粗调节和压电调节结合使用，这是本领域技术人员可以实现的；

第三步：给探测器中加入液氮，冷却CCD并使之恒定在-100℃。打开探测器前的盖板，让激光信号进入到探测器中。调节探测器的曝光时间，曝光时间为20毫秒，此时的读数为55000计数，保证此时探测器处于未饱和状态；

本步骤的目的是充分利用探测器的动态范围，使强弱信号均能在探测器上反应出来，提高检测的灵敏性和范围。

第四步：设置高精度平移台的步长(0.2微米)和扫描方向(x方向)和步数(22步)，使小孔沿着激光光斑扫描。信号经探测器探测，记录下各个停留点探测器的相对强度，经数据处理器处理得到激光光斑的能量分布(见附图4)。

实施例2：

按照与实施1例中相似的方法和步骤。

参见附图1，制作一激光光斑能量分布测量装置。

本实施例的小孔部件由以下步骤制作：

(1)采用市场上购买的带有氮化硅薄膜凹槽(窗口)的硅片，其中，氮化硅薄膜凹槽的厚度200纳米；

(2)在该带有氮化硅薄膜凹槽(窗口)的硅片表面蒸镀一层金薄膜，金薄膜的厚度为500-800纳米，保证氮化硅薄膜不透光；该凹槽为正方形；

(3)利用聚焦离子束技术在镀金膜的氮化硅薄膜上刻蚀一直径为200-300纳米的圆形通孔。通孔用于透过少量的激光信号，防止探测器的过饱和；通孔直径的大小直接决定了本发明的检测灵敏度。

本实施例选择波长为633纳米的He-Ni激光器，激光器输出功率为5毫瓦。物镜镜头4选择奥林巴斯50×(数值孔径＝0.8，工作距离＝1毫米)的物镜镜头，用于聚焦激光光束。选用的高精度平移台2为Thorlabs公司生产的MAX311/M平移台，最小步长可达20纳米，高精度平移台2可实现对激光截面的扫描(即用于实现小孔在光斑平面内的一维、二维扫描)。收集透镜6为直径为5毫米，焦距6毫米的双凸透镜。探测器8为液氮制冷的高灵敏度CCD，普林斯顿仪器公司的Spec10，探测动态范围为10-65000计数，光谱响应范围为350-800纳米。本实施例的小孔部件5采用上述方法制作，小孔直径300纳米(见附图5)。光纤7用于耦合激光信号到探测器当中，所选光纤的工作波长应包含所要检测的激光光斑的激光波长；光纤为工作范围为400-2200纳米的多模光纤(美国ARC公司生产)，选择光纤的目的还在于节省空间，实现原位测量。数据处理器9用于处理由探测器产生的电压信号，并可以实现对数据处理和分析，最终以图形的方式显现出来。

本实施例中各部件的构建方式在实施例1中已作详细的描述。

第一步：按照示示意图1把各部件安装完毕，利用显微镜确定通孔在镀金薄膜上的位置，通过高精度平移台调节小孔位置，确保小孔在显微镜可视范围内；

第二步：打开He-Ni激光器，通过中性衰减片调节激光输出功率，使激光功率值稳定在2毫瓦。调节将激光束引入显微镜镜头的两反射镜的俯仰，使被测激光束经物镜镜头聚焦在镀金薄膜的小孔的平面上，上下调节小孔的位置激光聚焦斑点的中心位置不变，说明激光聚焦状态良好。再通过高精度平移台微调小孔位置，使之恰好聚焦在小孔位置上；

第三步：给探测器中加入液氮，冷却CCD并使之恒定在-100℃。打开探测器前的盖板，让激光信号进入到探测器中。调节探测器的曝光时间，曝光时间为10毫秒，此时的读数为51000计数，保证此时探测器处于未饱和状态；

第四步：设置高精度平移台的步长(0.2微米)和扫描方向(x方向)和步数(25步)，使小孔沿着激光光斑扫描。信号经探测器探测，记录下各个停留点探测器的相对强度，经数据处理器处理得到激光光斑的能量分布(见附图6)。

采用本发明所提供的激光光斑测量装置和方法，可以实现聚焦激光光斑的原位测量，有效地弥补了传统测试方法在小光斑、原位测量中的不足。

以上所述仅为本发明的一些较佳实施例，并非用于限定本发明的实施范围，但凡依照本发明申请专利范围内所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化和修饰，均应该包括在本发明的申请专利范围内。

Claims

1.一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置，包括探测器和数据处理器；其特征在于：还包括支架、显微镜镜头、收集透镜、光纤、高精度平移台和小孔部件；所述的小孔部件由一块带有氮化硅薄膜凹槽的硅片，并在所述的凹槽表面上镀金薄膜，该镀金薄膜厚度为500-800纳米，再利用聚焦离子束技术，在所述的镀金薄膜上刻蚀直径为0.2-0.3微米的圆形通孔；所述的通孔用于透过少量的激光信号，防止探测器的过饱和；所述的支架固定在所述的高精度平移台上，该支架的桌面开有一固定在所述小孔部件的孔；所述的显微镜镜头垂直于小孔部件设置，在支架的桌面开孔的下方设置所述的收集透镜，该收集透镜通过所述的光纤与所述的探测器连接，该探测器获得透射的激光信号输入给数据处理器，测试数据经由数据处理器处理得到激光光斑的能量分布图。

2.按权利要求1所述的原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置,其特征在于：所述的收集透镜为非球面透镜、平凸透镜或双凸透镜。

3.按权利要求1所述的原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置,其特征在于：所述的高精度平移台是一种实现平面内的一维、二维扫描的平移台。

4.按权利要求1所述的原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置置,其特征在于：所述探测器为液氮制冷的CCD光电探测器。

5.一种应用权利要求1所述的原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置进行原位测量聚焦激光光斑能量分布的方法，其特征在于测量步骤如下：

（1）利用显微镜确定小孔部件上小孔的具体位置，保证小孔处于显微镜的可视范围内；

（2）打开激光，使激光束经物镜镜头聚焦在小孔部件的平面上，通过高精度平移台调整小孔的位置，使激光聚焦在小孔位置；

（3）调节和设置探测器的曝光时间，调节曝光时间在探测器处于未饱和状态下，准备进行曝光；

（4）设置高精度平移台的步长和扫描方向，使小孔在激光光斑平面内扫描，根据所设置的步长进行扫描，经曝光记录下各个停留点探测器的相对强度，利用数据处理器给出聚焦激光光斑的能量分布图。