CN108227218A - 一种低色散光调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低色散光调制装置，包括激光光源、扩束部分、调制部分和缩束部分，所述激光光源的前面依次设置所述扩束部分、所述调制部分与所述缩束部分，所述扩束部分与所述调制部分之间设置一聚焦部分，且所述调制部分与所述缩束部分之间设置一准直部分；所述扩束部分设置为包括扩束凸面镜和扩束凹面镜；所述缩束部分设置为包括缩束凹面镜和缩束凸面镜，所述缩束凹面镜设置于所述准直用离轴抛物面镜与所述缩束凸面镜之间。本发明采用该装置，实现了对超快激光脉冲输入的良好调制，并保证了激光光源调制前后的聚焦和恢复，以有效降低色散现象，且可降低成本投入。

Description

一种低色散光调制装置

技术领域

本发明涉及光调制器用辅助设备技术领域，尤其涉及一种低色散光调制装置。

背景技术

目前光学成像领域使用的点扫描原理需要对激光光源进行强度调制。通常使用的电光调制器或声光调制器能够实现快速切断激光的目的。声光调制相对于电光调制而言，具有消光比更高(一般大于1000:1)、驱动效率更低、温度稳定性优良、光电质量更好以及价格更低的优点，但是其色散严重，使得飞秒激光脉冲明显展宽，从而造成图像质量的下降，另外，声光调制器与电光调制器均价格昂贵，导致生产成本增加。

因此一种低色散、低成本的光调制技术对于此种应用具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种通过光调制措施，实现对激光输入的良好切断，并保证激光光源切断前后的聚焦和恢复，以有效降低色散现象，且可降低成本投入的低色散光调制装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低色散光调制装置，其中所述低色散光调制装置包括激光光源、扩束部分、调制部分和缩束部分，所述激光光源的前面依次设置所述扩束部分、所述调制部分与所述缩束部分，所述扩束部分与所述调制部分之间设置一聚焦部分，且所述调制部分与所述缩束部分之间设置一准直部分，通过所述扩束部分与所述聚焦部分的配合，对所述激光光源发出的激光光束进行发散，且将发散的所述激光光源发出的激光光束准直扩束聚焦，使得所述激光光源发出的激光光束的焦点位于所述调制部分的通孔上，再在所述缩束部分的作用下，将经过调制的所述激光光源发出的激光光束准直还原且向外传输；

所述扩束部分设置为包括扩束凸面镜和扩束凹面镜，所述扩束凸面镜设置于靠近所述激光光源的一侧，所述扩束凸面镜用于将外部所述激光光源发出的激光光束发散，所述扩束凹面镜设置于所述扩束凸面镜与所述聚焦部分之间，所述扩束凹面镜用于将发散的所述激光光源发出的激光光束准直扩束；

所述聚焦部分设置为聚焦用离轴抛物面镜，所述聚焦用离轴抛物面镜用于将扩束的所述激光光源发出的激光光束聚焦，使得焦点的位置在所述调制部分的通孔上；

所述调制部分设置为包括调制器，所述调制器上设置若干通孔，所述通孔用于保证所述激光光源发出的激光光束的通过；

所述准直部分设置为准直用离轴抛物面镜，所述准直用离轴抛物面镜用于将聚焦后发散的所述激光光源发出的激光光束准直，使得焦点位于所述调制器的通孔上，所述准直用离轴抛物面镜设置为与所述聚焦用离轴抛物面镜同等规格，以保证所述激光光源发出的激光光束的同比例恢复；

所述缩束部分设置为包括缩束凹面镜和缩束凸面镜，所述缩束凹面镜设置于所述准直用离轴抛物面镜与所述缩束凸面镜之间，所述缩束凹面镜用于将准直的所述激光光源发出的激光光束准直聚焦，所述缩束凸面镜用于将聚焦的所述激光光源发出的激光光束准直，所述缩束凹面镜设置为与所述扩束凹面镜同等规格，所述缩束凸面镜设置为与所述扩束凸面镜同等规格，所述缩束凸面镜用于实现调制过的所述激光光源发出的激光光束的向外传输。

进一步地，所述聚焦用离轴抛物面镜与所述准直用离轴抛物面镜的反射角度均设置为15度至120度。

进一步地，所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为球面反射镜。

进一步地，所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述聚焦用离轴抛物面镜、所述准直用离轴抛物面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为表面镀膜为裸金属膜、低色散介质膜或有保护层的金属膜。

进一步地，所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述聚焦用离轴抛物面镜、所述准直用离轴抛物面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为光学玻璃或石英材质。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)通过扩束部分与聚焦部分的配合，对激光光源发出的激光光束进行发散，且将发散的激光光源发出的激光光束准直扩束聚焦，使得激光光源发出的激光光束的焦点位于调制器的通孔上，再在缩束部分的作用下，将经过调制的激光光束准直还原且向外传输，从而保证激光光源发出的激光光束在调制过程中无色散效应。

(2)通过扩束凸面镜与扩束凹面镜组成一组反射式扩束光学系统，光束的聚焦和准直均采用离轴抛物面镜，缩束凸面镜与缩束凹面镜组成一组反射式缩束光学系统，全部镜片采用反射式工作原理，进一步有效避免采用透镜和棱镜对飞秒激光光源及其他色散敏感的脉冲激光光源造成的明显展宽效应。

(3)通过准直用离轴抛物面镜与聚焦用离轴抛物面镜同等规格、缩束凹面镜与扩束凹面镜同等规格、以及缩束凸面镜与扩束凸面镜同等规格，以保证激光光源发出的激光光束的同比例恢复，实现经调制过的激光光源发出的激光光束的向外传输。

附图说明

图1是本发明的结构框图示意图。

图中：10-激光光源，20-扩束部分，201-扩束凸面镜，202-扩束凹面镜，30-调制部分，40-缩束部分，401-缩束凹面镜，402-缩束凸面镜，50-聚焦部分，60-准直部分。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

如图1所示，一种低色散光调制装置，包括激光光源10、扩束部分20、调制部分30和缩束部分40，激光光源10的前面依次设置扩束部分20、调制部分30与缩束部分40，扩束部分20与调制部分30之间设置一聚焦部分50，且调制部分30与缩束部分40之间设置一准直部分60，通过扩束部分20与聚焦部分50的配合，对激光光源10发出的激光光束进行发散，且将发散的激光光源10发出的激光光束准直扩束聚焦，使得激光光源10发出的激光光束的焦点位于调制部分30的通孔上，再在缩束部分40的作用下，将经过调制的激光光源10发出的激光光束准直还原且向外传输。

扩束部分20设置为包括扩束凸面镜201和扩束凹面镜202，扩束凸面镜201设置于靠近激光光源10发出的激光光束的一侧，扩束凸面镜201用于将外部激光光源10发出的激光光束发散，扩束凹面镜202设置于扩束凸面镜201与聚焦部分50之间，扩束凹面镜202用于将发散的激光光源10发出的激光光束准直扩束。

聚焦部分50设置为聚焦用离轴抛物面镜，聚焦用离轴抛物面镜用于将扩束的激光光源10发出的激光光束聚焦，使得焦点的位置在调制部分30的通孔上。

调制部分30设置为包括调制器，调制器上设置若干通孔，通孔用于保证激光光源10发出的激光光束的通过。

准直部分60设置为准直用离轴抛物面镜，准直用离轴抛物面镜用于将聚焦后发散的激光光源10发出的激光光束准直，使得焦点位于调制器的通孔上，准直用离轴抛物面镜设置为与聚焦用离轴抛物面镜同等规格，以保证激光光源10发出的激光光束的同比例恢复。

缩束部分40设置为包括缩束凹面镜401和缩束凸面镜402，缩束凹面镜401设置于准直用离轴抛物面镜与缩束凸面镜402之间，缩束凹面镜401用于将准直的激光光源10发出的激光光束准直聚焦，缩束凸面镜402用于将聚焦的激光光源10发出的激光光束准直，缩束凹面镜401设置为与扩束凹面镜202同等规格，缩束凸面镜402设置为与扩束凸面镜201同等规格，缩束凸面镜402用于实现调制过的激光光源10发出的激光光束的向外传输。

聚焦用离轴抛物面镜与准直用离轴抛物面镜的反射角度均设置为15度至120度。

扩束凸面镜201、扩束凹面镜202、缩束凹面镜401与缩束凸面镜402均设置为球面反射镜。

扩束凸面镜201、扩束凹面镜202、聚焦用离轴抛物面镜、准直用离轴抛物面镜、缩束凹面镜401与缩束凸面镜402均设置为表面镀膜为裸金属膜、低色散介质膜或有保护层的金属膜。

扩束凸面镜201、扩束凹面镜202、聚焦用离轴抛物面镜、准直用离轴抛物面镜、缩束凹面镜401与缩束凸面镜402均设置为光学玻璃或石英材质。

使用本发明提供的低色散光调制装置，保证激光光源10发出的激光光切断前后的聚焦和恢复，以有效降低色散现象，且可降低成本投入。当该装置工作时，激光光源10发出的激光光束依次经过扩束部分20的扩束凸面镜201和扩束凹面镜202的发散和准直扩束，再在聚焦用离轴抛物面镜的作用下，将扩束的激光光源10发出的激光光束聚焦于调制部分30的通孔上，并配合准直用离轴抛物面镜将聚焦后的激光光源10发出的激光光束进行准直，使得焦点位于调制器的通孔上，最后经过缩束部分40的缩束凹面镜401和缩束凸面镜402，实现调制过的激光光源10发出的激光光束的向外传输，全部镜片的反射式工作，有效避免了传统的采用透镜和棱镜对飞秒激光造成的明显展宽效应，将该装置用于光学扫描显微镜中，其具有8KHz左右的共振频率，能够提供15600行/秒的最大扫描速度，因此对于一幅512x512的图像，帧率可以达到最快30帧/秒，电动机的转速则为1800rpm，相当于30fps，而对于单向扫描来说，每幅图像包括256个正向扫描行(正向的定义是从左向右)和256个反向扫描行，由于是共振扫描，每行正向扫描和反向扫描所消耗的时间相同。每片调制器的直径为100mm，片上包含实现一帧扫描的完整消隐结构，即调制器靠近圆周的部分被等分为520等份(15600除以30)，其中512等份部分打孔，每等份中打孔的面积占每份的88％，不打孔的面积占12％，分别对应每行88％近似匀速扫描的部分和最左端6％、最右端6％消隐的部分，打孔的部分允许激光通过，不打孔的部分完全阻挡激光。余下8等份不打孔，对应每帧结束后扫描头回到下一帧第一行起始位置的过程。这个调制器设计适用于双向扫描。当共振扫描器开始正向扫描第一行时，先经过6％的激光消隐区，对应调制器上第一个等份的前6％不打孔区；之后经过88％扫描区，对应调制器上第一个等份的中间88％打孔区；再经过6％的激光消隐区，对应调制器上第一个等份的后6％不打孔区；之后共振扫描器换行开始反向扫描重复上一过程，调制器继续转动进入第二个等份，以此类推......当共振扫描器完成第512行，也就是第256反向扫描行，之后开始进入场消隐阶段。扫描头回到第一行的起始位置。在此过程中，调制器继续转过余下8等份不打孔区，阻挡激光以实现场消隐。以兼容英国Scitec公司机械斩光器的调制器为例，调制器的直径为100mm，厚度为0.5mm，材料为CZ108黄铜，电动机转速为3600rpm。对应的光束直径约为1.9um。对应800nm波长的数值孔径约为0.25，半角约为14度。如果光束直径增大会引起激光通过与消隐之间的过渡带变平缓，使扫描图像边缘质量变差。以美国Spectral Physics公司的MaiTai Deepsee钛蓝宝石飞秒激光器为例，输出激光光源直径为1.2mm，因此采用1/2英寸直径，-7.5mm焦距的扩束用凸面镜1与1英寸直径，75mm焦距的扩束用凹面镜2进行10倍扩束，扩束后激光光源直径约为12mm。聚焦用离轴抛物面镜3采用1/2英寸直径，90度反射，反射焦距1英寸的规格。恰好可以将800nm飞秒激光光源聚焦为直径1.9um的光斑，并且有足够大的工作距离使调制器可以位于焦点位置，从而实现激光光源10的良好工作过程，并且整个光路不产生明显的脉冲展宽。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种低色散光调制装置，其特征在于：所述低色散光调制装置包括激光光源、扩束部分、调制部分和缩束部分，所述激光光源的前面依次设置所述扩束部分、所述调制部分与所述缩束部分，所述扩束部分与所述调制部分之间设置一聚焦部分，且所述调制部分与所述缩束部分之间设置一准直部分；

所述扩束部分设置为包括扩束凸面镜和扩束凹面镜，所述扩束凸面镜设置于靠近所述激光光源的一侧，所述扩束凹面镜设置于所述扩束凸面镜与所述聚焦部分之间；

所述聚焦部分设置为聚焦用离轴抛物面镜；

所述调制部分设置为包括调制器，所述调制器上设置若干通孔；

所述准直部分设置为准直用离轴抛物面镜，所述准直用离轴抛物面镜设置为与所述聚焦用离轴抛物面镜同等规格；

所述缩束部分设置为包括缩束凹面镜和缩束凸面镜，所述缩束凹面镜设置于所述准直用离轴抛物面镜与所述缩束凸面镜之间，所述缩束凹面镜设置为与所述扩束凹面镜同等规格，所述缩束凸面镜设置为与所述扩束凸面镜同等规格。

2.根据权利要求1所述的低色散光调制装置，其特征在于：所述聚焦用离轴抛物面镜与所述准直用离轴抛物面镜的反射角度均设置为15度至120度。

3.根据权利要求1所述的低色散光调制装置，其特征在于：所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为球面反射镜。

4.根据权利要求1所述的低色散光调制装置，其特征在于：所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述聚焦用离轴抛物面镜、所述准直用离轴抛物面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为表面镀膜为裸金属膜、低色散介质膜或有保护层的金属膜。

5.根据权利要求1所述的低色散光调制装置，其特征在于：所述扩束凸面镜、所述扩束凹面镜、所述聚焦用离轴抛物面镜、所述准直用离轴抛物面镜、所述缩束凹面镜与所述缩束凸面镜均设置为光学玻璃或石英材质。