CN103592803A - 基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法。通过对多色激光束相对于参考光进行单独动态补偿之后进行合束，同时进入声光偏转器进行同步扫描，从而使得不同波长激光束的偏转角始终保持一致，扫描光束精准重合。此方法较之已有的采用机械扫描方式实现的多色同步扫描具有无机械惯性、可选定任意点扫描、长时间稳定性、快速等特点。在显微成像、激光显示与记录、激光打印、激光加工等领域具有推广应用价值。

Description

基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，特别是涉及一种对多色激光束动态预补偿后利用单个声光偏转器对多色激光束进行同步扫描，实现多色扫描激光束偏转角度始终一致，光束精准重合的方法。

背景技术

声光偏转器是一种光波长及声波频率敏感的基于声光效应来改变光束传播方向的衍射光学器件。它相对于机械式光偏转器具有无扫描惯性的特点，因而可以获得更快的扫描速度，既能实现快速的逐点扫描，又能实现随机跳转式扫描。同时，声光偏转器相比于机械式扫描器件能保持更长时间的稳定工作。因其工作的无机械惯性、可选定任意点扫描、长时间稳定性、快速等特点，声光偏转器在显微成像、激光打印、激光显示等领域具有广泛应用。

随着现代科技和工业的发展，对扫描器的速度要求越来越高，同时要求能进行快速多波长激光的同步扫描，特别是在生物显微荧光成像领域对多色同时成像的需求和现代激光显示领域对激光同步扫描的需求十分重大。虽然声光偏转器的无惯性扫描特点相比于机械扫描器件具有更快的扫描速度和稳定性，但是声光偏转器对光束的偏转角与波长相关的特点，使得多色激光束在相同的声波频率下进行偏转时存在不同的相对偏角差，进行同步扫描时相对偏角差还会随扫描频率而动态变化。因此，在多色同步扫描领域，现有的方法大多采用与波长无关的机械式扫描器件，而声光偏转器无机械惯性、可选定任意点扫描、长时间稳定、快速等特点的优势无法得到运用。而基于声光偏转器的多路激光束扫描技术，在光路上采用先扫描后合束的方式，往往导致光路调节难度大，各色激光束扫描时难以保证完全同步与重合，结果使多色扫描难以达到预期的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，克服了声光偏转器件对多波长激光束扫描时产生的偏转角不一致问题，特别是克服了多波长激光束扫描偏角差随声波频率变化而动态变化的问题，使得多色激光束扫描完全同步，具有无机械惯性、可选定任意点扫描、长时间稳定、快速扫描的特点。

本发明实现同步扫描所采用的技术原理是：

若对多路不同波长的激光束进行合束使激光重合，合束后激光同时进入扫描声光偏转器，通过声光偏转器对光束的偏转作用实现同步扫描。因声光偏转器对光波长λ与超声频率f敏感，不同波长激光束经偏转器偏转后偏转角度θ可通过公式

进行计算。其中，V_s为声光晶体中超声波的传播速度。因此，通过单个声光偏转器对多个波长的激光束进行偏转时，认为在任意瞬态声波频率f与声波传播速度V_s均为定值，那么必然导致不同波长的激光束同步扫描时存在相对偏角差ΔΘ，即

$\mathrm{\Δ\Θ}\left(f\right)={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0=\frac{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0)\·f}{V_s}$

其中，θ₀为参考激光偏角，θ₁为另一波长的激光偏角，λ₀参考激光波长，λ₁为另一波长的激光波长。同时，在进行同步扫描的不同声波频率下，由于f的动态改变，相对偏角差ΔΘ也会不断变化。这种各色激光束间的相对偏角差随时间动态变化的现象在三色及以上的多色同步扫描中同样存在。正由于上述原因，想要利用声光偏转器实现同步多色扫描的关键之处是要同步补偿各色激光束之间动态变化的相对偏角差，而这并不是十分容易的事情。这也就是到目前尚未有利用单个声光偏转器进行多色同步扫描的原因。因相对偏角差与光波长有关且随超声频率动态变化的原因，故需采用与相对偏角差能同步变化的预补偿器件，补偿偏角即为相对偏角差ΔΘ。对不同路激光束，随相对偏角差ΔΘ的动态变化其补偿角度也需同步动态变化，即动态补偿。

根据上述原理，本发明提出了一种基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，涉及作为扫描用的扫描声光偏转器，作为动态补偿用的补偿光偏转器，起合束作用的二向色镜，以及为所述扫描声光偏转器、补偿光偏转器提供同步信号的同步驱动器；对多色激光束相对于参考光进行动态补偿合束之后同时进入声光偏转器进行同步扫描，从而使得不同波长激光束的偏转角始终保持一致，扫描光束精准重合。

在多色激光中，选择一路作为参考光，其余路激光分别由所述补偿光偏转器进行偏角补偿后，与参考光一起经所述二向色镜合束后进入所述扫描声光偏转器；所述补偿光偏转器可以是机械式偏转器或者非惯性扫描器件；同步驱动器为所述扫描声光偏转器、补偿光偏转器提供同步信号。这样，将多色激光合束后引入单个声光偏转器，解决了声光偏转器对不同波长激光束进行扫描时相对偏角差随扫描频率动态变化的问题，从而实现了完全同步的扫描。

当使用声光偏转器做补偿光偏转器时，所述使补偿用声光偏转器的扫描频率为

其中，λ₀、λ₁分别为参考光、其余某路激光的波长，f为所述扫描声光偏转器的扫描频率；同步驱动器为所述扫描声光偏转器、补偿光偏转器提供同步信号。

进一步的，将波长λ₁的入射光引入一个预补偿角Θ₁，用修正补偿频率替代f₁作为所述补偿光偏转器的扫描频率，

其中，F₁为所述补偿声光偏转器在入射光波长λ₁衍射效率较高情况下所对应的某一声波频率，声波频率F₁的取值一定，则根据

可得到所述预补偿角Θ₁。通过对补偿声光偏转器的入射光引入一个预补偿角Θ₁，对补偿频率进行修正，使扫描声光偏转器的衍射频率和衍射效率符合设定要求。此时，补偿声光偏转器恰好能对扫描声光偏转器产生的偏角差进行补偿，同时又不会受到扫描声光偏转器衍射带宽的限制。

事实上，补偿用光偏转器在进行与扫描用声光偏转器同步的预扫描时，预扫描会在扫描声光偏转器入光口处形成微小的光斑移动，不利于扫描光束的完全重合。因此，更进一步的，本发明设计了同焦距的第一透镜与第二透镜构成的延时系统，所述延时系统置于所述补偿光偏转器与二向色镜之间的光路上，所述补偿光偏转器补偿后的激光经过所述延时系统，然后进入所述二向色镜。这样的方案，可使预补偿产生的扫描偏转点对应到扫描声光偏转器的入光口，即实现了两束激光在扫描入射点完全重合，经同步扫描后，出射激光不仅扫描角度完全相同，也能保证光线精准重合。

所述补偿光偏转器，是机械式扫描器件，或无惯性扫描器件。在我们的实施方案中采用声光偏转器作为动态补偿器件进行说明，但本发明所述方法并不只限于使用声光偏转器做补偿光偏转器。无论使用何种光偏转器作为动态补偿器件，只需满足器件扫描所形成的补偿角恰好动态地补偿掉相对偏角差ΔΘ即可。

本发明所述的动态补偿原理不仅适用于利用声光偏转器进行的多色同步扫描，也适用于解决采用其他与波长相关的光学偏转器件进行的多色同步扫描中出现的相对偏角差动态变化问题。

经上述方法实现多色同步扫描后，扫描光束可在一维方向上实现完全同步，并经另一维偏转器扩展即可实现二维同步扫描。若在另一维上也使用声光偏转器实现二维同步扫描时，需要在对激光束进行预补偿时实现两个维度的预补偿，即补偿偏角需要在二维方向上同时补偿。此时可以安装两个垂直放置的光偏转器进行预补偿，补偿公式仍然适用。

本发明采用声光偏转器实现了多色激光束的动态补偿同步扫描。克服了声光偏转器对光波长与声波频率敏感带来的偏转角度差，使得偏转光束能够完全重合地进行同步多色扫描。此方法较之已有的采用机械扫描方式实现的多色同步扫描具有无机械惯性、可选定任意点扫描、长时间稳定、快速等特点。在显微成像、激光显示与记录、激光打印、激光加工等领域具有推广应用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为基于声光偏转器一维方向上的双色激光动态补偿同步扫描原理图。

图2为实施例一，一维方向上的双色激光动态补偿同步扫描装置示意图。

图3为实施例二，基于双声光偏转器的二维方向上的双色激光动态补偿同步扫描示意图。

具体实施方式

如图1所示原理图，我们选用声光偏转器作为动态预补偿器件进行说明，其特点是快速、稳定并且便于与扫描用声光偏转器实现同步。本发明的关键部分包含作为扫描用的扫描声光偏转器101，作为动态补偿用的补偿声光偏转器102，及起合束作用的二向色镜103。在一维同步扫描情况下，如果波长分别为λ₁、λ₀的两束激光直接进入扫描声光偏转器101进行同步扫描时，随扫描频率f的变化，两束激光总会产生一定的相对偏角差ΔΘ，即ΔΘ

这个问题的存在使得扫描光束并不能完全重合，从而无法实现在任意时刻多色激光束对同一点进行扫描。为克服此问题，因相对偏角差随光波长和超声频率的不断变化而动态变化，故补偿器件必须也能随相对偏角差进行即时的同步变化，在本发明中我们采用声光偏转器102作为动态同步补偿器件，由同步驱动器108提供声光偏转器101与102的同步信号。只需将一路激光作为参考光，即图中所示λ₀，对另一路激光进行动态补偿即可。参考光λ₀通过二向色镜103反射，另一路激光λ₁通过二向色镜103透射。参考光λ₀波长的选择需要考虑声光偏转器101的衍射带宽。激光λ₁的补偿角度大小与相对偏角差相等，即可实现动态补偿。由

可得出：补偿频率f₁也即为补偿声光偏转器102的扫描频率。同步驱动器108用补偿频率f1来控制补偿声光偏转器102的扫描频率。

进一步的，考虑到声光偏转器101的衍射效率在一定的频率范围内才能达到较高，故需要适度增加补偿频率，使得补偿频率落在该范围内，这样的补偿频率称为修正补偿频率

其中，F₁为补偿声光偏转器102及入射光波长λ₁情况下所对应的声波频率。修正补偿频率

必须满足落在声光偏转器101的一定的频率范围之内，该频率范围的取值应使声光偏转器101的衍射效率达到偏转扫描的要求。因此，声波频率F₁的取值一定，则根据

可得到预补偿角Θ₁,其中，Θ₁为补偿声光偏转器102的入射光的一个预补偿角。通过对补偿声光偏转器102的入射光引入一个预补偿角Θ₁，对补偿频率进行修正，使声光偏转器101的衍射频率和衍射效率符合设定要求。此时，补偿声光偏转器恰好能对扫描声光偏转器产生的偏角差进行补偿，同时又不会受到扫描声光偏转器衍射带宽的限制。

在补偿用声光偏转器102进行角度动态补偿时，事实上是补偿声光偏转器在进行很小角度的扫描，扫描方向如106箭头所示，这种扫描也会引入微小的光斑相对移动，使得波长为λ₁的激光束在进入扫描声光偏转器时并不是与参考激光完全重合，因此本发明采用同焦距的透镜104与透镜105构成延时系统（relay system），则可使预补偿产生的扫描偏转点对应到扫描声光偏转器的入光口，此时即实现了两束激光在扫描入射点完全重合，经同步扫描后，出射激光不仅扫描角度完全相同，也能保证光线精准重合，其扫描方向如箭头107所示。对基于声光偏转器的三色及以上的多色动态补偿同步扫描，本发明的原理同样适用。出射光扫描角与参考光的扫描角度一致。

对于使用机械式扫描器件做补偿光偏转器进行的同步补偿，不另作详细说明，只需让器件扫描形成补偿角恰好等于相对偏角差ΔΘ即可。因此，使用机械式扫描器件作为补偿光偏转器实现动态补偿的同步扫描方法在本发明的保护范围之内。

实施例一

如图2所示为一维方向上的双色同步扫描装置示意图。激光器201及202发射波长不同的单色激光，在本实施案例中，分别使用波长为561nm的激光器202及波长为488nm的激光器201，以488nm激光为参考光，通过补偿用声光偏转器102对561nm激光进行动态补偿操作，由同步驱动器108实现声光偏转器101及102的同步。因声光偏转器的衍射效率与光的偏振态相关，故光束进入声光偏转器102前使用1/2波片203对激光的偏振态进行调节。同样道理，在激光束进入扫描用声光偏转器前也需使用1/2波片204及205分别对488nm激光束及补偿后激光束的偏振态进行纠正。反射镜206及207用以调整光束，方便激光合束，激光合束采用二向色镜103实现。因补偿声光偏转器是在进行扫频实现动态预补偿相对偏角差，故采用透镜104与透镜105构成relay系统，使预补偿产生的扫描偏转点对应到扫描声光偏转器的入光口实现合束。合束后激光进入扫描声光偏转器101进行同步扫描，出射光束能精准重合，扫描角与488nm参考光扫描角一致。相较于图1，若采用声光偏转器器件本身的特殊设计，即声光偏转器可保证在带宽中心频率时衍射1级光束与入射光方向一致，则预补偿角Θ₁的大小由声光偏转器本身的中心频率决定，此时安装声光偏转器时光束可垂直入射。也就是说在光路的调节上，可以先不安装声光偏转器，调节使两束激光完全重合之后再通过参考光安装声光偏转器101，声光偏转器101安装完成后，利用声光偏转器的特定设计可直接安装好补偿声光偏转器102，此时补偿频率应为：

F_m为补偿声光偏转器对应于光波长为λ₁的中心频率。在本实施例中采用相对于561nm激光带宽为65MHz至115MHz的声光偏转器，其中心频率F_m为80MHz。对于三色以上的动态补偿同步扫描，本发明所展示的方法仍然适用。

实施例二

图3所示为基于双声光偏转器的二维方向上的双色激光同步扫描示意图。激光器201及202发射波长不同的单色激光，在本实施案例中，我们分别使用波长为561nm的激光器202及波长为488nm的激光器201，以488nm激光为参考光，通过补偿用声光偏转器102、309分别对561nm激光束进行x与y方向的动态补偿操作，由同步驱动器108实现声光偏转器101及102的同步。因声光偏转器的衍射效率与光的偏振态相关，故入射进声光偏转器102前使用1/2波片203对激光的偏振态进行调节。同样道理，在激光入射进扫描用声光偏转器前也需使用1/2波片204及205分别对488激光及补偿后激光的偏振态进行纠正。反射镜206及207用以调整光束，方便激光合束，激光合束采用二向色镜103实现。因补偿声光偏转器是在进行扫频实现动态预补偿相对偏角差，故采用透镜104与透镜105构成relay系统，则可使预补偿产生的扫描偏转点对应到扫描声光偏转器的入光口实现合束。合束后激光进入扫描声光偏转器101及308进行x、y两维同步扫描，出射光束能精准重合。在所展示的实施例中x，y方向的补偿只需要简单的对应补偿x，y扫描声光偏转器产生的相对偏角差。考虑到激光光强的因素，激光器201与202的输出功率可能不同。对本实施例中的扩展维y也可采用检流计偏转镜等机械式偏转镜，此时只需对x维进行预补偿即可，在结构与光路调整上会更加简单。但是其并不具备声光偏转器扫描的快速、稳定和无惯性特点。在本实施例的双声光偏转器实现的二维同步扫描中，扫描可形成如图样310所示的顺序扫描，图样311所示的随机扫描线，甚至根据需要利用声光偏转器的无惯性特点扫描出更加复杂、多样的扫描线。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，涉及作为多色激光束动态扫描用的扫描声光偏转器，其特征在于，对多色激光束相对于参考光进行动态补偿合束之后同时进入声光偏转器进行同步扫描，从而使得不同波长激光束的偏转角始终保持一致，扫描光束精准重合。

2.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，包括动态补偿用的补偿光偏转器，起合束作用的二向色镜，以及为所述扫描声光偏转器、补偿光偏转器提供同步信号的同步驱动器；所述补偿光偏转器对多色激光束相对于参考光进行动态补偿，经二向色镜合束之后同时进入所述声光偏转器进行同步扫描，从而使得不同波长激光束的偏转角始终保持一致。

3.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，所述补偿光偏转器为机械式扫描器件或无惯性扫描器件。

4.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，所述补偿光偏转器形成的动态补偿角恰好等于所述扫描声光偏转器对多色光扫描产生的相对偏角差。

5.根据权利要求4所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，

当所述补偿光偏转器为声光偏转器时，所述补偿用声光偏转器的扫描频率

其中，λ₀、λ₁分别为参考光、其余一路激光的波长，f为所述扫描声光偏转器的扫描频率；同步驱动器为所述扫描声光偏转器、补偿光偏转器提供同步信号，使所述补偿光偏转器与扫描声光偏转器的扫描周期相同。

6.根据权利要求5所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，

将波长λ₁的入射光引入一个预补偿角Θ₁，用修正补偿频率

替代所述f₁作为所述补偿光偏转器的扫描频率，

其中，F₁为所述补偿声光偏转器在入射光波长λ₁情况下衍射效率较高时所对应的声波频率，声波频率F₁的取值一定，则根据

可得到所述预补偿角Θ₁。

7.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的多色激光束动态补偿同步扫描方法，其特征在于，还包括同焦距的第一透镜与第二透镜构成的延时系统，所述延时系统置于所述补偿光偏转器与二向色镜之间的光路上，所述补偿光偏转器补偿后的激光经过所述延时系统，然后进入所述二向色镜。

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