CN111609817B - 一种小型化高精度激光束指向稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高精度激光束指向稳定装置，该装置包括可调孔径光阑、二维快速控制反射镜、分光棱镜、二分之一波片、偏振分光棱镜、斜方棱镜、透镜、光电感应器件、反射部件、纳米移动台和控制器等部件；它利用偏振光束在全反射角度附近的反射特性，将其作为角度灵敏探测手段，结合快速控制反射镜实现角度方向偏移的独立修正。位置方向的漂移则由一个反射部件与位置探测器完成修正。本发明通过解除角度测量对光程的依赖，结合分离式地调控，实现小型化、高精度、快速度的光束稳定控制；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

一种小型化高精度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，尤其涉及一种小型化高精度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加工需求与日剧增，激光直写加工技术作为一项重要的三维纳米结构加工手段，在多个现代科学技术领域得到了广泛的应用。双光束超分辨激光直写纳米加工技术的发展，实现了超光学衍射极限的加工分辨率，大幅提升了其加工精度，为三维纳米结构加工技术及其应用提供了新的发展方向。双光束超分辨激光直写技术主要利用材料与光的非线性作用，如受激发射辐射、激光中间态吸收等过程，将光反应限制在光聚焦中心极小的区域，从而实现超高精密的三维加工。该技术需要两束光束：一束为激发光，为聚焦光，用于引发光反应；一束为抑制光，为中空的圆环光，用于阻止作用点周围的光反应。通过两束光的作用，将光反应区域限制在聚焦光斑中心非常小的区域，实现超分辨光刻。

随着直写加工精度的提高(50nm以下)及并行刻写技术的发展，加工光束的稳定性成为了限制其应用的主要因素之一。光学系统中的温度分布、气压改变、气流扰动以及外界的振动等会引起光束强度及光束间相对位置的波动，造成在持续加工过程中结构的损坏，以往常采用快速刻写来抵消系统中光束缓慢波动带来的影响，但在多光束大面积刻写系统中，其刻写光束多，刻写时间长，一次扰动足以破坏加工的结构，所以必须在刻写过程中对光束进行实时的检测与矫正。

目前已有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。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。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。并且需要光程比较长，也就导致了设备体积较大，在多光束并行刻写中运用非常复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种小型化高精度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：一种小型化高精度激光束指向稳定装置，包括第一可调孔径光阑、第二可调孔径光阑、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、反射部件、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，反射部件固定于纳米移动台上；所述控制器分别连接二维快速控制反射镜、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；入射光束首先依次通过第一可调孔径光阑和第二可调孔径光阑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；第一透射光束入射到反射部件后，再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；所述反射部件为角锥棱镜或中空回归反射器；所述反射部件的出射光束的方向是入射光束的反方向，且光束的出射位置与入射位置相对于反射部件中心为中心对称。

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35°。

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所述第二斜方棱镜对p偏振态入射光的反射特性分别为：

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，控制纳米移动台水平位移

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，I_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均采用雪崩式光电二极管。

本发明的有益效果是：本发明利用全反射特性将角度改变量转化为可以高精度检测的能量改变量，从而实现角度方向的高精度检测，角度漂移调整精度优于0.1urad；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；并且不依赖于光程，可以实现小型化、模块化。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是本发明小型化高精度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；

图中，1-第一可调孔径光阑，2-第二可调孔径光阑，3-二维快速控制反射镜，4-第一分光棱镜，5-二分之一波片，6-偏振分光棱镜，7-第一斜方棱镜，8-第一透镜，9-第一光电感应器件，10-第二斜方棱镜，11-第二透镜，12-第二光电感应器件，13-反射部件，14-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。

一种小型化高精度激光束指向稳定装置，如图1所示，包括：第一可调孔径光阑1、第二可调孔径光阑2、二维快速控制反射镜3、第一分光棱镜4、二分之一波片5、偏振分光棱镜6、第一斜方棱镜7、第一透镜8、第一光电感应器件9、第二斜方棱镜10、第二透镜11、第二光电感应器件12、反射部件13、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。其中，第一可调孔径光阑1、第二可调孔径光阑2的最大孔径为φ12.0mm。反射部件13为中空回归反射器或角锥棱镜。

采用图1所示装置的一种小型化高精度激光束指向稳定方法如下：

一束波长为532nm的激光入射到此装置中，通过调节整个装置的位置或者入射光束的位置，使入射光束的中心能够同时经过第一可调孔径光阑1和第二可调孔径光阑2的中心，使入射光束的中心位于系统光轴上。这样能够在不改动后续光学系统的情况下，使防漂系统能够正常工作，真正实现模块化，避免了目前常用防漂系统中对后续光路的调整。调节完毕后，将第一可调孔径光阑1和第二可调孔径光阑2的孔径调至最大；随后，光束入射到二维快速控制反射镜3上，选用美国Newport公司型号为FSM-300的二维快速控制反射镜3，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；且第一可调孔径光阑1、第二可调孔径光阑2与二维快速控制反射镜3的中心位于同一高度。之后入射光束折转约90°入射到第一分光棱镜4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5的偏振态调整，到达偏振分光棱镜6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7(折射率为1.5)后，发生反射经过第一透镜8聚焦到第一光电感应器件9上，第一光电感应器件9为能量敏感探测器，可采用型号为APD440A2的硅雪崩光电探测器，第一光电感应器件9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3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7，此时第一光电感应器件9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10后，发生反射经过第二透镜11聚焦到第二光电感应器件12上，第二光电感应器件12为能量敏感探测器，可采用型号为APD440A2的硅雪崩光电探测器，第二光电感应器件12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3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12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°。

第一斜方棱镜7、第二斜方棱镜10对入射p偏振态与s偏振态的反射特性如图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。根据p偏振态与s偏振态的反射特性曲线，结合第一光电感应器件9和第二光电感应器件12的探测精度与探测范围，选取p偏振反射特性上接近0附近的区域，设置理想入射角为35°。第二斜方棱镜10的垂直放置可以让经过偏振分光棱镜6后s偏振的光束以p偏振态入射，从而也可以选择特定的角度区域。

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9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7的入射角，得到角度偏移量之后控制二维快速控制反射镜3调整水平方向的角度偏移，将入射角校正为理想入射角35°。第一透镜8的作用是将第一斜方棱镜7的反射光汇聚到第一光电感应器件9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9所探测到。

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12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3调整垂直方向的角度偏移，将入射角校正为理想入射角35°。第二透镜11与第一透镜8的功能相同，将第二斜方棱镜10的反射光汇聚到第二光电感应器件12处，避免反射光角度偏移后能量不能全部被第二光电感应器件12所探测到。

第一透射光束T1垂直入射到反射部件13后，能够以与入射角度相同的角度返回，并且当入射位子偏离反射部件13中心时，光束将从中心的另一侧在偏离中心相同距离的位置射出。反射部件13被固定在纳米移动台14上，可以随纳米移动台14的移动而移动。因为光束入射到反射部件时，光束能够正确地以与入射角度相同的角度返回；光束的入射位置偏离反射部件的中心时，光束将从中心的另一侧在偏离中心相同距离的位置射出；所以当反射部件发生位移时，其在水平方向与垂直方向移动的距离是光束移动距离的1/2。反射部件13的出射光束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T2，透射的第三监控光束T2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％。

第三监控光束T2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采用的是位置敏感探测器，获得第三监控光束T2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T2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分别为光束在第三光电感应器件16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。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，控制纳米移动台14水平位移e_X/2、垂直位移e_Y/2，从而校正位置漂移。

本发明一种小型化高精度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反射部件13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，控制所述纳米移动台调整所述反射部件的位置，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)

1.一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，包括第一可调孔径光阑(1)、第二可调孔径光阑(2)、二维快速控制反射镜(3)、第一分光棱镜(4)、二分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)、第一斜方棱镜(7)、第一透镜(8)、第一光电感应器件(9)、第二斜方棱镜(10)、第二透镜(11)、第二光电感应器件(12)、反射部件(13)、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，反射部件(13)固定于纳米移动台(14)上；所述控制器(17)分别连接二维快速控制反射镜(3)、纳米移动台(14)；所述第一光电感应器件(9)和第二光电感应器件(12)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；入射光束首先依次通过第一可调孔径光阑(1)和第二可调孔径光阑(2)入射到二维快速控制反射镜(3)上，之后经过第一分光棱镜(4)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(5)到达偏振分光棱镜(6)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(7)后，发生反射经过第一透镜(8)聚焦到第一光电感应器件(9)上，第一光电感应器件(9)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(10)后，发生反射经过第二透镜(11)聚焦到第二光电感应器件(12)上，第二光电感应器件(12)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)入射到反射部件(13)后，再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(T2)；第三监控光束(T2)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(T2)的光斑位置传输给控制器(17)；所述反射部件(13)为角锥棱镜或中空回归反射器；所述反射部件(13)的出射光束的方向是入射光束的反方向，且光束的出射位置与入射位置相对于反射部件(13)中心为中心对称。

2.根据权利要求1所述一种小型化高精度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(7)，此时第一光电感应器件(9)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(10)，此时第二光电感应器件(12)获得的光束反射能量也为标准能量E₀。

3.根据权利要求2所述一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一斜方棱镜(7)和第二斜方棱镜(10)的折射率均为1.5；所述理想入射角为35°。

4.根据权利要求2所述一种小型化高精度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(7)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(3)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(10)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(3)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所述一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一斜方棱镜(7)和所述第二斜方棱镜(10)对p偏振态入射光的反射特性分别为：

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所述一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第三监控光束(T2)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，控制纳米移动台(14)水平位移

垂直位移

从而校正位置漂移。

7.根据权利要求6所述一种小型化高精度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(T2)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所述一种小型化高精度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(3)的偏转角度范围为±26.2mrad，分辨率小于1urad。

9.根据权利要求1所述一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(4)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所述一种小型化高精度激光束指向稳定装置，其特征在于，所述第一光电感应器件(9)和第二光电感应器件(12)均采用雪崩式光电二极管。

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