CN108169894B - 一种光束mems快速调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调控系统，该调控系统用于调控飞秒激光脉冲光束幅位，包括飞秒激光脉冲光源，MEMS快速调节镜系统，光斑位置传感器，信号处理系统；其特征在于，该MEMS快速调节镜系统位于所述调控系统构成该调控系统的核心空间的第二空间，所述MEMS快速调节镜系统具有由可实现各态历经过程的单MEMS微透镜形成的相干微透镜矩阵，单MEMS微透镜有波数不敏感属性；所述信号处理系统控制MEMS快速调节镜系统调控光束幅位，MEMS快速调节镜系统通过信息处理系统并行脉冲信号调节相干微透镜矩阵，所述相干微透镜矩阵中各个上述单MEMS微透镜与轴向夹角由并行脉冲信号幅度控制。

Description

一种光束MEMS快速调控系统

技术领域

本发明属于激光器领域，涉及一种飞秒激光脉冲光束调控系统。该系统使用MEMS快速调节镜系统对飞秒激光脉冲光路调控，具有激光光源、MEMS快速调节镜系统，光斑位置传感器，信号处理器等单元，可将光斑抖动幅度降低为光斑大小的十分之一。

背景技术

20世纪60年代出现一种新型光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10^-12s-10^-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”

飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。

随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。例如当时还在罗彻斯特大学的巴窦(P.Bado)早在1985年就成立了自己的公司麦道克斯(Medox)，生产高速光开关，后来随着飞秒脉冲放大技术的发展，他又与生产飞秒脉冲激光器的克拉克仪器(ClarkInstruments)公司联合成立了克拉克－麦道克斯(Clark－MXR)公司，专门生产飞秒脉冲固体，光纤激光器和放大器，及其周边仪器，华盛顿州立(Washington State)大学莫内恩与其丈夫卡普廷(H.Kapteyn)在创造了11-fs钛宝石激光器以后，虽然没有脱离大学(现均移往密西根大学任教)，却成立了以他们夫妇名字命名的业余公司“KM-Laboratory”，出售他们制造的10-fs激光器，维也纳工业大学的克劳斯小组中的施丁格尔(A.Stingl)等几个人也独立出来成立公司叫Femto Lasers,出售他们制造的使用色散反射镜的亚10-fs激光器，匈牙利固体物理研究所的采波奇也“停薪留职”，成立了Laser Optics公司，利用匈牙利固体物理研究所的设备，生产飞秒脉冲激光器用的色散反射镜，用他自己的话说，是他在“养活”研究所里的其他人，另一对以飞秒脉冲研究出名的夫妇凯勒和维因咖顿(K.Weingarten)更有趣，一个仍在大学做教授，另一个退出了美国光波公司(LightwaveElectronics)而随妻凯勒来到瑞士创办了一个叫“时间带宽积”的公司(Time-bandwidthProducts)，生产凯勒发明的用可饱和吸收镜启动锁模的飞秒脉冲激光器，两大激光器公司相干公司和光谱物理公司也当仁不让，倚仗它们雄厚的实力从泵浦激光器，飞秒脉冲振荡器，放大器到参量振荡器各个领域与群雄展开全面竞争。

在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。

发明内容

飞秒激光器在各行业的应用越来越广泛，使用条件要求也越来越严格。如在激光精密加工领域，由于严苛的加工参数要求，对激光光束光斑稳定性要求抖动幅度小于光斑大小的十分之一。高频抖动不仅会影响到实验结果的正确性，还会影响光束对物品的空间分辨率，低频抖动直接影响实验结果结果是否正确。因此在激光光路中引入调控系统是必要的。

本发明开发了一种调控系统，用于调控飞秒激光脉冲的光束幅位，包括飞秒激光脉冲光源，MEMS快速调节镜系统，光斑位置传感器，信号处理系统；其特征在于，该MEMS快速调节镜系统位于所述调控系统构成该调控系统的核心空间的第二空间，所述MEMS快速调节镜系统具有由可实现各态历经过程的单MEMS微透镜形成的相干微透镜矩阵，单MEMS微透镜有波数不敏感属性；所述信号处理系统控制MEMS快速调节镜系统调控光束幅位，MEMS快速调节镜系统通过信息处理系统并行脉冲信号调节相干微透镜矩阵，所述相干微透镜矩阵中各个上述单MEMS微透镜与轴向夹角由并行脉冲信号幅度控制。

所述飞秒激光脉冲光源处于该MEMS快速调节镜系统构成该调控系统的第一伴随空间的第一空间，所述第一空间构成所述飞秒激光脉冲光束幅位调控系统第一伴随空间，该第一伴随空间形成飞秒激光脉冲源端。

所述光斑位置传感器位于该MEMS快速调节镜系统构成该调控系统的第二伴随空间的第三空间，该光斑位置传感器为二维凹平面结构，入射光束射线方向与该二维凹平面结构入射点处切平面垂直。

附图说明

图1 MEMS快速调节镜结构。

图2 光斑位置传感器结构侧视图。

具体实施方式

实施例：

本实施例中，MEMS快速调节镜系统1由多个单MEMS微透镜2组成，单MEMS微透镜2可以X,Y轴为轴向滚动，微透镜沿X轴方向滚动可以调节输入激光光斑在X轴方向的移动，微透镜沿Y轴方向的滚动可以调节输入激光光斑在Y轴方向的移动，因此，MEMS快速调节镜系统1可以在XY轴形成的二维平面中任意调节激光光斑位置。该MEMS快速调节镜系统1位于所述调控系统构成该调控系统的核心空间的第二空间，所述MEMS快速调节镜系统1具有由可实现各态历经过程的单MEMS微透镜2形成的相干微透镜矩阵，单MEMS微透镜2有波数不敏感属性；所述信号处理系统控制MEMS快速调节镜系统1调控光束幅位，MEMS快速调节镜系统1通过信息处理系统并行脉冲信号调节相干微透镜矩阵，所述相干微透镜矩阵中各个上述单MEMS微透镜2与轴向夹角由并行脉冲信号幅度控制，脉冲信号幅度为：

其中，为第n时刻脉冲信号幅度，为第n-1时刻脉冲信号幅度，为第n-1时刻单MEMS微透镜2轴向夹角，a、b为比例系数。

每一个单MEMS微透镜2可由上述公式计算的用于控制的脉冲信号幅度值控制，且所有的单MEMS微透镜2具有相关性。

所述飞秒激光脉冲光源处于该MEMS快速调节镜系统1构成该调控系统的第一伴随空间的第一空间，所述第一空间构成所述飞秒激光脉冲光束幅位调控系统第一伴随空间，该第一伴随空间形成飞秒激光脉冲源端。

所述光斑位置传感器4位于该MEMS快速调节镜系统1构成该调控系统的第二伴随空间的第三空间，该光斑位置传感器4为二维凹平面结构，入射光束射线3方向与该二维凹平面结构入射点处切平面5垂直。

对于本领域技术人员，上述实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种调控系统，该调控系统用于调控飞秒激光脉冲光束幅度位置，包括飞秒激光脉冲光源，MEMS快速调节镜系统，光斑位置传感器，信号处理系统；其特征在于，该MEMS快速调节镜系统位于所述调控系统构成该调控系统的核心空间的第二空间，所述MEMS快速调节镜系统具有由可实现各态历经过程的单MEMS微透镜形成的相干微透镜矩阵，单MEMS微透镜有对波数不敏感的属性；所述信号处理系统控制MEMS快速调节镜系统调控光束幅位，MEMS快速调节镜系统通过信息处理系统并行脉冲信号调节相干微透镜矩阵，所述相干微透镜矩阵中各个上述单MEMS微透镜与轴向夹角由并行脉冲信号幅度控制。

2.根据权利要求1所述的调控系统，所述飞秒激光脉冲光源处于该MEMS快速调节镜系统构成该调控系统的第一伴随空间的第一空间，所述第一空间构成所述飞秒激光脉冲光束幅位调控系统第一伴随空间，该第一伴随空间形成飞秒激光脉冲源端。

3.根据权利要求1所述的调控系统，所述光斑位置传感器位于该MEMS快速调节镜系统构成该调控系统的第二伴随空间的第三空间，该光斑位置传感器为二维凹平面结构，入射光束射线方向与该二维凹平面结构入射点处切平面垂直。