CN111142254B - 分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，该装置将入射激光光束通过两个分光棱镜与一个偏振分光棱镜分光，得到一束工作光束与三束监控光束，三束监控光束由相应的光电器件接受并分别用于监控角度偏移与二维位置偏移，根据得到的监控信息完成对激光光束角度与位移参量的实时校正。本发明对角度偏移与位置偏移的测量与控制进行了有效分离，分别对入射光束的水平位移与垂直位移进行实时调整，调整精度高，调整过程快速，且不会出现耦合干扰；实现激光束的位置漂移精度优于100nm，角度漂移调整精度优于0.1urad；利用本发明装置调整得到的稳定光束，可以广泛用于超分辨显微成像系统和高精度激光直写光刻系统。

Description

分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置

技术领域

本发明属于超精密光学测量与控制领域，尤其涉及一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置。

背景技术

随着纳米技术的不断发展，各行业领域对纳米尺寸结构的检测与加工需求与日剧增，系统成像分辨能力与光学加工尺寸也不断地刷新记录。但是，激光光源的热效应、光学器件的热漂移与振动、光路中空气的流动与温度变化、外界环境的振动等因素使光束的传播方向与中心位置在传输过程中发生不规则运动，这种不稳定性限制了光学系统的检测精度与加工能力的进一步提高。

由于干扰的随机性，所以目前公认较好的做法是在系统中引入一个光束的实时校正模块，在光束发生漂移时快速的进行补偿，调整到理想的状态。目前的光束指向稳定系统基本依赖于一对位置探测器(或四象限探测器)的检测与一对二维快速控制反射镜的控制，如谷宗浩等(专利号为201820906888.9的中国专利)的一种激光束指向稳定系统，常慧等(专利号为201710182392.1的中国专利)的一种基于FPGA的光束指向控制系统及其构建方法等。但是这类方法中角度偏移与位置偏移的检测与调整时，相互的串扰较大，并且基于探测器的检测精度受到光斑形状、光斑能量分布、探测面最小单元尺寸等的影响，其对于光束的校准精度受到限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，包括二维快速控制反射镜、第一分光棱镜、二分之一波片、偏振分光棱镜、第一斜方棱镜、第一透镜、第一光电感应器件、第二斜方棱镜、第二透镜、第二光电感应器件、第一直角三棱镜、水平纳米移动台、第二直角三棱镜、垂直纳米移动台、第二分光棱镜、第三光电感应器件和控制器；其中，第一直角三棱镜固定于水平纳米移动台上，第二直角三棱镜固定于垂直纳米移动台上；所述控制器分别连接二维快速控制反射镜、水平纳米移动台和垂直纳米移动台；所述第一光电感应器件和第二光电感应器件均为能量敏感探测器，所述第三光电感应器件为位置探测器或四象限探测器；入射光束首先入射到二维快速控制反射镜上，之后经过第一分光棱镜分解为第一透射光束与第一反射光束；第一反射光束经过二分之一波片到达偏振分光棱镜后分为p偏振态的第一监控光束与s偏振态的第二监控光束；第一监控光束入射到水平放置的第一斜方棱镜后，发生反射经过第一透镜聚焦到第一光电感应器件上，第一光电感应器件将获得的光束反射能量E_1x反馈给控制器；第二监控光束入射到垂直放置的第二斜方棱镜后，发生反射经过第二透镜聚焦到第二光电感应器件上，第二光电感应器件将获得的光束反射能量E_2x反馈给控制器；第一透射光束垂直入射到第一直角三棱镜后，光路在水平方向折转180°，直接入射到竖直放置的第二直角三棱镜后，光路往上在垂直方向折转180°入射到第二分光棱镜上，分解为反射的工作光束和透射的第三监控光束；第三监控光束入射到第三光电感应器件上，第三光电感应器件将获得的第三监控光束的光斑位置传输给控制器。

进一步地，所述第一监控光束与第二监控光束为两束偏振态垂直且能量相等的光束；所述第一监控光束以理想入射角到达第一斜方棱镜，此时第一光电感应器件获得的光束反射能量记为标准能量E₀；所述第二监控光束以理想入射角到达第二斜方棱镜，此时第二光电感应器件获得的光束反射能量也为标准能量E₀。

进一步地，所述第一斜方棱镜和第二斜方棱镜的折射率均为1.5；所述理想入射角为40°。

进一步地，当第一监控光束在水平方向发生角度漂移时，控制器根据反射比

和第一斜方棱镜对p偏振态入射光的反射特性得到角度偏移量，并控制二维快速控制反射镜调整水平方向的角度漂移，将第一监控光束的入射角校正为理想入射角；当第二监控光束在垂直方向发生角度漂移时，控制器根据反射比

和第二斜方棱镜对p偏振态入射光的反射特性得到角度偏移量，并控制二维快速控制反射镜调整垂直方向的角度漂移，将第二监控光束的入射角校正为理想入射角。

进一步地，所述第一斜方棱镜和第二斜方棱镜对p偏振态入射光的反射特性均为：

其中，ρ_p为p偏振态的反射比，θ₁为入射角，θ₂为折射角。

进一步地，所述第三监控光束的光斑位置偏离第三光电感应器件感应面中心表示发生位置漂移，控制器根据水平方向的偏移量e_X和垂直方向的偏移量e_Y，控制水平纳米移动台水平位移

垂直纳米移动台垂直位移

从而校正位置漂移。

进一步地，所述第三光电感应器件为位置传感器，以其感应面中心为原点建立坐标，第三监控光束的光斑位置根据下式得到：

其中，_A、I_B、I_C、I_D分别为第三光电感应器件的输出电流。

进一步地，所述二维快速控制反射镜的偏转角度范围为±26.2mrad，分辨率小于1urad。

进一步地，所述第一分光棱镜分解得到的第一透射光束和第一反射光束的能量占比分别为96.7％和3.3％；所述第二分光棱镜分解得到的工作光束和第三监控光束的能量占比分别为96.7％和3.3％。

进一步地，所述第一光电感应器件和第二光电感应器件采用雪崩式光电二极管或光子计数器。

本发明的有益效果是：本发明可对光束分别进行角度与位置的实时调整，对角度偏移与位置偏移的测量与控制进行了有效分离，调整过程准确，且不会出现耦合干扰；并且利用偏振光束在接近全反射角时的剧烈反射率变化对角度漂移进行高精度的检测，利用两个直角三棱镜分别对入射光束的水平位移与垂直位移进行实时调整，调整精度高，调整过程快速，实现激光束的位置漂移精度优于100nm，角度漂移调整精度优于0.1urad。利用该调整方法和装置得到的稳定光束，可以广泛用于超分辨显微成像系统(如荧光发射损耗显微镜、双光子显微镜、结构光照明显微镜等)和高精度激光直写光刻系统。

附图说明

图1是本发明分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置示意图；

图2是本发明中入射到斜方棱镜的p偏振态与s偏振态光束在不同入射角度下的归一化反射率曲线图；

图3是本发明水平纳米移动台与直角三棱镜的示意图；

图4是本发明垂直纳米移动台与竖直放置的直角三棱镜的示意图；

图5是水平偏移调整的原理图；

图中，1-二维快速控制反射镜，2-第一分光棱镜，3-二分之一波片，4-偏振分光棱镜，5-第一斜方棱镜，6-第一透镜，7-第一光电感应器件，8-第二斜方棱镜，9-第二透镜，10-第二光电感应器件，11-第一直角三棱镜，12-水平纳米移动台，13-第二直角三棱镜，14-垂直纳米移动台，15-第二分光棱镜，16-第三光电感应器件，17-控制器。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，如图1所示，包括：二维快速控制反射镜1，第一分光棱镜2，二分之一波片3，偏振分光棱镜4，第一斜方棱镜5，第一透镜6，第一光电感应器件7，第二斜方棱镜8，第二透镜9，第二光电感应器件10，第一直角三棱镜11，水平纳米移动台12、第二直角三棱镜13、垂直纳米移动台14、第二分光棱镜15、第三光电感应器件16、控制器17。

采用图1所示的装置的分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定方法如下：

一束波长为532nm的入射光束首先入射到二维快速控制反射镜1上，选用美国Newport公司型号为FSM-300的二维快速控制反射镜1，主要包括反射镜与对应的控制系统，可实现二维的角度偏转，偏转角度范围为±26.2mrad(±1.5°)，分辨率小于1urad。之后入射光束折转约90°入射到第一分光棱镜2中，分解为第一透射光束T1与第一反射光束，第一透射光束T1的能量占比约为96.7％，第一反射光束的能量占比约为3.3％。

第一反射光束经过二分之一波片3的偏振态调整，到达偏振分光棱镜4后分为两束偏振态垂直且能量相等的光束，分别为p偏振态的第一监控光束R1与s偏振态的第二监控光束R2。

p偏振态的第一监控光束R1入射到水平放置的第一斜方棱镜5(折射率为1.5)后，发生反射经过第一透镜6聚焦到第一光电感应器件7上，第一光电感应器件7为能量敏感探测器，第一光电感应器件7将获得的光束反射能量E_1x反馈给与其电连接的控制器17。通过二维快速控制反射镜1调整第一监控光束R1沿着水平方向进行一定程度的角度扫描，使第一监控光束R1以理想入射角到达第一斜方棱镜5，此时第一光电感应器件7获得的光束反射能量记为标准能量E₀。

s偏振态的第二监控光束R2相对于垂直放置的第二斜方棱镜8(折射率为1.5)为p偏振态，第二监控光束R2入射到第二斜方棱镜8后，发生反射经过第二透镜9聚焦到第二光电感应器件10上，第二光电感应器件10为能量敏感探测器，第二光电感应器件10将获得的光束反射能量E_2x反馈给与其电连接的控制器17。通过二维快速控制反射镜1调整第二监控光束R2沿着竖直方向进行一定程度的角度扫描，使第二监控光束R2以理想入射角到达第二斜方棱镜8，此时第二光电感应器件10获得的光束反射能量也为标准能量E₀。

其中，理想入射角与全反射临界角角度接近但小于全反射临界角，发生全反射时，入射角θ₁满足如下条件：

n₁*sin(θ₁)＝n₂*sin(θ₂)

其中，n₁为斜方棱镜的折射率；n₂为1；θ₂为折射角，发生全反射时为90°；第一斜方棱镜5、第二斜方棱镜8的折射率均为1.5，可计算得到全反射时入射角θ₁为41.8°，设置理想入射角为40°。

第一斜方棱镜5、第二斜方棱镜8对p偏振态与s偏振态入射光的反射特性如图2所示，可根据菲涅耳公式获得如下计算公式：

其中，ρ_s和ρ_p分别表示s偏振态与p偏振态的反射比，θ₁为入射角，θ₂为折射角。

当第一监控光束R1的传播角度在水平方向发生微小偏转时，其出射能量会发生大幅改变，第一光电感应器件7此时获得的光束反射能量E_1x反馈给控制器17，控制器17获得反射比

通过公式(2)计算此时第一监控光束R1在第一斜方棱镜5的入射角，得到角度偏移量之后控制二维快速控制反射镜1调整水平方向的角度偏移，将入射角校正为理想入射角40°。该方法的检测原理与匡翠方等发明人提出的名称为“一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置”的中国专利申请(申请号为CN 201110338933.8公开日期为2012.06.20)所公开的用于光束准直度检测的方法类似，但过程与目的不同。第一透镜6的作用是将第一斜方棱镜5的反射光汇聚到第一光电感应器件7处，避免反射光角度偏移后能量不能全部被第一光电感应器件7所探测到。第一光电感应器件7采用雪崩式光电二极管(APD)，可以高精度的检测能量，从而实现高精度角度变化的检测。

同理，当第二监控光束R2的传播角度在垂直方向发生微小偏转时，控制器17收到第二光电感应器件10的反馈，获得反射比

通过公式(2)计算此时第二监控光束R2的入射角，之后控制二维快速控制反射镜1调整垂直方向的角度偏移，将入射角校正为理想入射角40°。第二透镜9与第一透镜6的功能相同，第二光电感应器件10也采用雪崩式光电二极管(APD)。

第一透射光束T1垂直入射到第一直角三棱镜11后，如图3所示，光路在水平方向折转180°，直接入射到竖直放置的第二直角三棱镜13后，如图4所示，第二分光棱镜15在水平方向上位于第二直角三棱镜13和第三光电感应器件16之间，光路往上在垂直方向折转180°入射到第二分光棱镜15上，分解为工作光束与第三监控光束R3，透射的第三监控光束R3的能量占比约为3.3％，反射的工作光束的能量占比约为96.7％。第一直角三棱镜11固定于水平纳米移动台12上，如图3所示，可以控制水平方向的纳米移动，第二直角三棱镜13固定于垂直纳米移动台14上，如图4所示，可以控制垂直方向的纳米移动。当水平纳米移动台12控制第一直角三棱镜11在水平方向发生移动L时，如图5所示，入射光束在水平方向发生2L的平移，是第一直角三棱镜11水平移动距离的2倍。同理，对于竖直放置的第二直角三棱镜13，当垂直纳米移动台14控制第二直角三棱镜13在垂直方向发生移动L时，入射光束在垂直方向发生2L的平移。

第三监控光束R3在透过第二分光棱镜15后入射到第三光电感应器件16上，此处第三光电感应器件16采用的是位置探测器或四象限探测器，获得第三监控光束R3的光斑位置信号后，第三光电感应器件16将数据传输给与其电连接的控制器17。

如果第三监控光束R3的光斑中心位于第三光电感应器件16感应面中心位置，则不存在位置偏移；反之，则存在位置偏移，控制器17根据获得的数据，以第三光电感应器件16感应面中心作为原点建立坐标，分解为水平方向与竖直方向的位置偏移，则光斑在感应面上的位置可根据下式计算：

其中，I_A、I_B、I_C、I_D分别为光束在位置探测器各输出端上的输出电流，e_X和e_Y分别表示水平方向与垂直方向的偏移量；然后分别控制水平纳米移动台12水平位移

垂直纳米移动台13垂直位移

对入射光束进行位置漂移的校正，从而实现防漂。

本发明一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定方法，包括以下步骤：

(1)入射的激光光束经过二维快速控制反射镜与第一分光棱镜后分解为第一透射光束与第一反射光束。所述第一反射光束通过二分之一波片与偏振分光棱镜后分解为第一监控光束与第二监控光束，并且第一监控光束为p偏振光束，第二监控光束为s偏振光束。所述第一监控光束经过第一斜方棱镜和第一透镜后，入射到第一光电感应器件，进行水平方向角度偏移的监控；所述第二监控光束经过垂直放置的第二斜方棱镜和第二透镜后，入射到第二光电感应器件，进行垂直方向角度偏移的监控。所述第一反射光束经过第一直角三棱镜、竖直放置的第二直角三棱镜和第二分光棱镜后分离为第三监控光束与工作光束，所述第三监控光束入射到第三光电感应器件；

(2)根据所述第一光电感应器件探测到的能量大小，结合p偏振光在不同角度入射下反射率的变化，计算水平角度偏移情况，调整所述二维快速控制反射镜在水平方向的角度，使激光束向水平角度偏移量减小的方向进行调整；

(3)根据所述第二光电感应器件探测到的能量大小，结合p偏振光在不同角度入射下反射率的变化，计算垂直角度偏移情况，调整所述二维快速控制反射镜在垂直方向的角度，使激光束向垂直角度偏移量减小的方向进行调整；

(4)根据所述第三光电感应器件探测到的位置信息，分解成水平方向与竖直方向的偏移量，分别控制水平纳米移动台与垂直纳米移动台调整所述第一直接三棱镜与第二直角三棱镜的位置，使激光束向位置偏移量减小的方向进行调整；

(5)依次重复上述(2)～(4)的调整步骤，直至激光束的位置漂移精度优于100nm，角度漂移调整精度优于0.1urad。

Claims (10)

1.一种分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，包括二维快速控制反射镜(1)、第一分光棱镜(2)、二分之一波片(3)、偏振分光棱镜(4)、第一斜方棱镜(5)、第一透镜(6)、第一光电感应器件(7)、第二斜方棱镜(8)、第二透镜(9)、第二光电感应器件(10)、第一直角三棱镜(11)、水平纳米移动台(12)、第二直角三棱镜(13)、垂直纳米移动台(14)、第二分光棱镜(15)、第三光电感应器件(16)和控制器(17)；其中，第一直角三棱镜(11)固定于水平纳米移动台(12)上，第二直角三棱镜(13)固定于垂直纳米移动台(14)上；所述控制器(17)分别连接二维快速控制反射镜(1)、水平纳米移动台(12)和垂直纳米移动台(14)；所述第一光电感应器件(7)和第二光电感应器件(10)均为能量敏感探测器，所述第三光电感应器件(16)为位置探测器或四象限探测器；入射光束首先入射到二维快速控制反射镜(1)上，之后经过第一分光棱镜(2)分解为第一透射光束(T1)与第一反射光束；第一反射光束经过二分之一波片(3)到达偏振分光棱镜(4)后分为p偏振态的第一监控光束(R1)与s偏振态的第二监控光束(R2)；第一监控光束(R1)入射到水平放置的第一斜方棱镜(5)后，发生反射经过第一透镜(6)聚焦到第一光电感应器件(7)上，第一光电感应器件(7)将获得的光束反射能量E_1x反馈给控制器(17)；第二监控光束(R2)入射到垂直放置的第二斜方棱镜(8)后，发生反射经过第二透镜(9)聚焦到第二光电感应器件(10)上，第二光电感应器件(10)将获得的光束反射能量E_2x反馈给控制器(17)；第一透射光束(T1)垂直入射到第一直角三棱镜(11)后，光路在水平方向折转180°，直接入射到竖直放置的第二直角三棱镜(13)后，光路往上在垂直方向折转180°入射到第二分光棱镜(15)上，分解为反射的工作光束和透射的第三监控光束(R3)；第三监控光束(R3)入射到第三光电感应器件(16)上，第三光电感应器件(16)将获得的第三监控光束(R3)的光斑位置传输给控制器(17)。

2.根据权利要求1所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一监控光束(R1)与第二监控光束(R2)为两束偏振态垂直且能量相等的光束；所述第一监控光束(R1)以理想入射角到达第一斜方棱镜(5)，此时第一光电感应器件(7)获得的光束反射能量记为标准能量E₀；所述第二监控光束(R2)以理想入射角到达第二斜方棱镜(8)，此时第二光电感应器件(10)获得的光束反射能量也为标准能量E₀。

3.根据权利要求2所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一斜方棱镜(5)和第二斜方棱镜(8)的折射率均为1.5；所述理想入射角为40°。

4.根据权利要求2所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，当第一监控光束(R1)在水平方向发生角度漂移时，控制器(17)根据反射比

和第一斜方棱镜(5)对p偏振态入射光的反射特性得到角度偏移量，并控制二维快速控制反射镜(1)调整水平方向的角度漂移，将第一监控光束(R1)的入射角校正为理想入射角；当第二监控光束(R2)在垂直方向发生角度漂移时，控制器(17)根据反射比

和第二斜方棱镜(8)对p偏振态入射光的反射特性得到角度偏移量，并控制二维快速控制反射镜(1)调整垂直方向的角度漂移，将第二监控光束(R2)的入射角校正为理想入射角。

5.根据权利要求4所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一斜方棱镜(5)和第二斜方棱镜(8)对p偏振态入射光的反射特性均为：

其中，ρ_p为p偏振态的反射比，θ₁为入射角，θ₂为折射角。

6.根据权利要求1所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第三监控光束(R3)的光斑位置偏离第三光电感应器件(16)感应面中心表示发生位置漂移，控制器(17)根据水平方向的偏移量e_X和垂直方向的偏移量e_Y，控制水平纳米移动台(12)水平位移

垂直纳米移动台(14)垂直位移

从而校正位置漂移。

7.根据权利要求6所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第三光电感应器件(16)为位置传感器，以其感应面中心为原点建立坐标，第三监控光束(R3)的光斑位置根据下式得到：

其中，I_A、I_B、I_C、I_D分别为第三光电感应器件(16)的输出电流。

8.根据权利要求1所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述二维快速控制反射镜(1)的偏转角度范围为±26.2mrad，分辨率小于1urad。

9.根据权利要求1所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(2)分解得到的第一透射光束(T1)和第一反射光束的能量占比分别为96.7％和3.3％；所述第二分光棱镜(15)分解得到的工作光束和第三监控光束(R3)的能量占比分别为96.7％和3.3％。

10.根据权利要求1所述分离式调控角度漂移与位置漂移的激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一光电感应器件(7)和第二光电感应器件(10)采用雪崩式光电二极管或光子计数器。

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