CN114061457B - 基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法，该系统包括双色镜、收光透镜、带通滤光片、记录仪器以及贴附在靶板表面的荧光涂层；紧聚焦激光装置发射的激光照射在荧光涂层上激发出双光子荧光；双光子荧光照射在双色镜上并被双色镜反射，反射后的双光子荧光经收光透镜汇聚后经带通滤光片射入记录仪器；记录仪器记录双光子荧光的荧光强度，荧光强度确定激光的焦点位置，焦点位置定位靶材的位置。通过靶表面制备一薄层荧光涂层，当紧聚焦光斑与荧光涂层产生偏差时，荧光涂层激发的荧光强度随偏差的增加而快速的非线性下降，提高了靶的纵向重合精度，满足了激光焦点与靶两者之间高纵向重合精度的需求，实现了紧聚焦激光装置高精度的靶定位。

Description

基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法

技术领域

本发明涉及精密检测技术领域，特别是涉及基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法。

背景技术

自从激光问世以来，提高激光的聚焦功率密度就是科学家们孜孜以求的目标。随着调Q值技术、锁模技术以及啁啾脉冲放大技术等技术的发明和应用，激光功率和聚焦功率密度在过去50年里有了多个数量级的提高，激光与物质相互作用涵盖的物理学领域也更加丰富，应用前景更加广阔。目前，世界各地多个强激光实验室都已建成了拍瓦级高功率激光器，通过小F数的聚焦元件进行紧聚焦，产生了聚焦功率密度达10²²～10²³W/cm²的激光。但是，通过小F数的离轴抛物面镜对激光进行紧聚焦，聚焦光斑的峰值强度随离焦距离的增加而非线性降低。紧聚焦导致激光的瑞利长度相应缩短，离焦数十微米甚至几微米就会致使激光与靶相互作用的功率密度急剧下降。因此，激光靶面功率密度不仅取决于激光器产生的聚焦功率密度，还取决于靶面与激光焦点的纵向重合精度。传统靶定位技术的精度依赖光学监控系统的空间分辨率，极难满足超高峰值功率紧聚焦激光装置激光波长量级纵向重合精度的需求，亟需发展新型靶定位系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法，能够满足激光焦点与靶两者之间高纵向重合精度的需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，其特征在于，基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统包括：双色镜、收光透镜、带通滤光片、记录仪器以及贴附在靶板表面的荧光涂层；

紧聚焦激光装置发射的激光照射在所述荧光涂层上，激发出双光子荧光；所述双光子荧光照射在所述双色镜上，并被所述双色镜反射，反射后的双光子荧光经所述收光透镜的汇聚后，经带通滤光片射入所述记录仪器；

所述记录仪器用来记录双光子荧光的荧光强度，所述荧光强度用于确定所述紧聚焦激光装置发射的激光的焦点位置，所述焦点位置用来定位靶材的位置。

可选的，所述荧光涂层的厚度为亚微米量级。

可选的，所述双色镜，设置在紧聚焦激光装置和靶板之间，还用于对紧聚焦激光装置发射的激光进行透射。

可选的，紧聚焦激光装置发射的激光瞬时功率为数十毫瓦量级及以上。

可选的，所述记录仪器为光谱仪、光电倍增管或者CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机。

可选的，所述基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元确定第一荧光强度中数值最大的强度值为第二荧光强度；各所述第一荧光强度分别为靶板位于不同位置时所述激光在所述荧光涂层上激发的双光子荧光强度；根据所述第二荧光强度确定所述靶板初始位置；根据所述靶材的厚度，确定纵向距离；根据所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定横向距离；根据所述靶板的初始位置以及所述纵向距离和所述横向距离，确定所述靶板的最终位置。

为实现上述目的，本发明还提供了基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法，包括：

确定第一荧光强度中数值最大的强度值为第二荧光强度；各所述第一荧光强度分别为靶板位于不同位置时所述激光在所述荧光涂层上激发的双光子荧光强度；

根据所述第二荧光强度确定所述靶板初始位置；

根据所述靶材的厚度，确定纵向距离；根据所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定横向距离；

根据所述靶板的初始位置以及所述纵向距离和横向距离，确定所述靶板的最终位置。

可选的，所述根据所述靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定纵向距离和横向距离，执行这一步骤前还包括：

采用电子显微镜测量所述靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离。

可选的，根据所述纵向距离和横向距离，确定所述靶板的最终位置并定位靶材的位置，具体包括：

建立三维坐标轴，移动靶材中心到所述荧光涂层中心位置，使得移动后所述靶材表面中心在三维空间的位置与移动前所述荧光涂层表面中心在三维空间的位置重合。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法，该系统包括双色镜、收光透镜、带通滤光片、记录仪器以及贴附在靶板表面的荧光涂层；紧聚焦激光装置发射的激光照射在所述荧光涂层上，激发出双光子荧光；所述双光子荧光照射在所述双色镜上，并被所述双色镜反射，反射后的双光子荧光经所述收光透镜的汇聚后，经带通滤光片射入所述记录仪器；所述记录仪器用来记录双光子荧光的荧光强度，所述荧光强度用于确定所述紧聚焦激光装置发射的激光的焦点位置，所述焦点位置用来定位靶材的位置。通过靶表面制备一薄层双光子荧光材料涂层，紧聚焦光斑照射在双光子荧光材料涂层上，当双光子荧光材料涂层偏离紧聚焦光斑的焦点位置时，涂层表面的激光功率密度急剧下降，而基于双光子吸收激发的荧光发射强度与激发光强的二次方成正比，因此，双光子荧光材料涂层激发的双光子荧光的荧光强度随偏差的增加而快速的非线性下降。所以，微小的偏差就能探测到靶面涂层激发双光子荧光强度的大幅变化，对偏差的检测更加灵敏，从而提高了靶的纵向重合精度，由于靶的纵向重合度越高，激光与靶面作用的聚焦功率密度越高，所以本发明能够满足激光焦点与靶两者之间高纵向重合精度的需求，实现紧聚焦激光装置高精度的靶定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统的结构示意图；

图2为靶表面装配荧光涂层的结构正视示意图；

图3为靶表面装配荧光涂层的结构侧视示意图。

符号说明：

聚焦元件—1，紧聚焦激光—2，双色镜—3，双光子荧光—4，靶板—5，收光透镜—6，带通滤光片—7，光谱仪—8，靶框—9，靶材—10，荧光涂层—11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统及方法，能够满足激光焦点与靶两者之间高精度纵向重合精度的需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所述，本实施例提供的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统包括：双色镜3、收光透镜6、带通滤光片7、记录仪器以及贴附在靶板5表面的荧光涂层11。

具体的，荧光涂层11选择的双光子荧光材料具备以下特征：

(1)对800nm的激光具有大的双光子吸收截面。

由于具有较长共轭结构和推拉电子基团的双光子荧光材料的分子具有较大的双光子吸收截面，所以双光子荧光材料分子的轨道跃迁的对称性要求：如果一个双光子荧光材料的分子的双光子吸收峰出现在800nm附近，则该双光子荧光材料的分子线性吸收峰通常应该出现在400nm附近(非中心对称性分子)或450-550nm波段(中心对称性分子)。

(2)荧光量子产率高。

当双光子荧光材料的分子骨架的平面性或刚性较强，即不易发生振动和转动弛豫时，双光子荧光材料容易获得高的荧光量子效率。

(3)材料要具有好的光热稳定性。

要确保双光子荧光材料的分子的光热稳定性，双光子荧光材料的分子结构中要尽量避免引入容易断链的酯键、醚键和柔性基团等。所以，荧光材料的双光子荧光分子具有刚性和一定扭角。

(4)制备成涂层后不会产生荧光淬灭且有荧光增强效应。

平面性好的双光子荧光材料的分子，在双光子荧光材料的分子相互靠近的时候(浓度高的溶液或涂层)，容易发生聚集诱导的淬灭效应。聚集诱导荧光增强效应的双光子荧光材料的分子结构是具有一定空间扭角的刚性分子。当双光子荧光材料的分子相互靠近时，由于空间位阻，扭转弛豫被限制，辐射失活会增强，使得荧光增强。

进一步的，荧光涂层11的使用环境是高真空的靶室，对荧光涂层11的致密性有很高要求。由于固体分子间的堆积方式和紧密程度与成膜工艺密切相关。因此将荧光涂层11贴附在靶板5上时，选用良溶剂溶解均匀后旋涂在靶板5上并在真空环境干燥或者通过真空蒸镀的方式让荧光分子自组装在靶板5上成膜这两种有机小分子半导体材料成膜的方法。

紧聚焦激光装置发射的激光照射在荧光涂层11上，紧聚焦激光装置发射的激光的光斑尺寸在焦点位置最小，峰值功率最高。偏离焦点位置，光斑尺寸变大，峰值功率随偏离焦点距离的增加而非线性降低。激光在荧光涂层上激发出双光子荧光4；双光子荧光4照射在双色镜3上，并被双色镜3反射，反射后的双光子荧光4经收光透镜6的汇聚后，经带通滤光片7射入记录仪器；记录仪器用来记录双光子荧光4的荧光强度，荧光强度用于确定紧聚焦激光装置发射的激光的焦点位置，焦点位置用来定位靶材10的位置。

具体的，紧聚焦激光装置靶定位时发射的激光是高功率激光衰减之后的小能量激光，激光的瞬时功率为数十毫瓦量级及以上。紧聚焦激光装置发射的激光照射到荧光涂层11上的激光的能量达到数十毫瓦量级及以上才能够激发双光子荧光；双色镜3设置在紧聚焦激光装置和靶板5之间；记录仪器为光谱仪8、光电倍增管或者CCD相机；双色镜3还用于对紧聚焦激光装置发射的激光进行透射。

进一步的，双色镜3用于排除入射激光的散射光对双光子荧光4的影响；收光透镜6用于提高被双色镜3反射的双光子荧光4的收集效率；带通滤光片7用于透射设定波长的双光子荧光4并滤除其他散光信号。

本发明基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统还包括数据处理单元，数据处理单元确定第一荧光强度中数值最大的强度值为第二荧光强度；各第一荧光强度分别为靶板5位于不同位置时激光在荧光涂层11上激发的双光子荧光强度；根据第二荧光强度确定靶板5初始位置；根据所述靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定纵向距离和横向距离；根据靶板5的初始位置以及纵向距离和横向距离，确定靶板5的最终位置。

具体的，在紧聚焦激光焦点附近移动靶板5，移动靶板5也就对贴附在靶板5上的荧光涂层11进行了移动，靠近紧聚焦激光焦点位置光斑尺寸越小，照射在荧光涂层11上的功率密度越大，激发的双光子荧光越强，光谱仪8记录的双光子荧光强度的值越大，当荧光涂层11位于紧聚焦激光焦点位置上时，光谱仪8记录的双光子荧光强度的值最大，此时荧光涂层的位置就是焦点位置。数据处理单元对记录仪器记录的双光子荧光强度的值进行比较，得到双光子荧光强度值的最大值，第二荧光强度就是光谱仪8记录的双光子荧光强度的值中被数据处理单元确定的双光子荧光强度值最大的那一个荧光强度，获得第二荧光强度时，荧光涂层11位于紧聚焦激光焦点上，此时靶板5所在的位置就是靶板5的初始位置。纵向距离是靶材10的厚度，横向距离是靶材中心与荧光涂层中心的距离。建立三维坐标轴，移动靶材中心到所述荧光涂层中心位置，使得移动后所述靶材表面中心在三维空间的位置与移动前所述荧光涂层表面中心在三维空间的位置重合。

本发明提供的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法包括：

确定第一荧光强度中数值最大的强度值的为第二荧光强度；各第一荧光强度分别为靶板5位于不同位置时激光在荧光涂层11上激发的双光子荧光强度。

具体的，在紧聚焦激光焦点附近移动靶板5，移动靶板5也就对贴附在靶板5上的荧光涂层11进行了移动，靠近紧聚焦激光焦点位置光斑大小越小，照射在荧光涂层11上的功率密度越大，光谱仪8记录的双光子荧光强度的值越大，当荧光涂层11位于紧聚焦激光焦点位置上时，光谱仪8记录的双光子荧光强度的值最大，此时荧光涂层的位置就是焦点位置。

根据第二荧光强度确定靶板5初始位置。

具体的，第二荧光强度就是光谱仪8记录的双光子荧光强度的值最大的那一个荧光强度，获得第二荧光强度时，紧聚焦激光焦点全部照射在荧光涂层11上，此时靶板5所在的位置就是靶板5的初始位置。

如图2和图3所示，采用电子显微镜测量靶材10的厚度，即纵向距离。

根据所述靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定纵向距离和横向距离。

根据靶板5的初始位置以及纵向距离和横向距离，确定靶板5的最终位置。具体包括：

建立三维坐标轴，移动靶材中心到所述荧光涂层中心位置，使得移动后所述靶材表面中心在三维空间的位置与移动前所述荧光涂层表面中心在三维空间的位置重合。

双光子荧光膜层11是直接贴在靶框前表面的，靶材10是贴在靶框后表面的，同时靶框上有一个圆形的定位孔。

本实施例提供的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法的原理如下所述：

在激光的照射下，一个分子或者原子在一个基元光物理过程中，同时吸收两个光子经过虚拟的中间态，从基态跃迁至激发态，即双光子吸收，进而通过辐射弛豫过程发射出一个荧光光子，即双光子荧光4。发生双光子吸收跃迁的数量与入射激光强度的二次方成正比。由于荧光发射是线性光物理过程，相应的基于双光子吸收激发的荧光发射强度也与激发光强的二次方成正比，所以在靶表面制备一薄层双光子荧光材料涂层，激光射向靶表面的双光子荧光材料涂层，激光的紧聚焦光斑的焦点一旦偏离双光子荧光材料涂层，涂层激发的荧光强度将随偏差距离的增加呈快速的非线性下降。紧聚焦光斑的焦点偏离双光子荧光材料涂层微小的距离，就能探测到荧光涂层11激发双光子荧光强度的大幅降低，从而达到了大幅提高靶的纵向定位精度到激光波长量级的效果。

本发明通过靶表面制备一薄层双光子荧光材料涂层，紧聚焦光斑照射在双光子荧光材料涂层上，当紧聚焦光斑与双光子荧光材料涂层产生偏差时，涂层表面的激光功率密度急剧下降，而基于双光子吸收激发的荧光发射强度与激发光强的二次方成正比，因此，双光子荧光材料涂层激发的双光子荧光的荧光强度随偏差的增加而快速的非线性下降。所以，微小的偏差就能探测到靶面涂层激发双光子荧光强度的大幅变化，对偏差的检测更加灵敏，从而提高了靶的纵向重合精度，由于靶的纵向重合度越高，激光的聚焦功率密度越高，所以本发明能够满足激激光焦点与靶两者之间高纵向重合精度的需求，实现紧聚焦激光装置高精度的靶定位。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，其特征在于，所述基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统包括：双色镜、收光透镜、带通滤光片、记录仪器以及贴附在靶板表面的荧光涂层；

紧聚焦激光装置发射的激光照射在所述荧光涂层上，激发出双光子荧光；所述双光子荧光照射在所述双色镜上，并被所述双色镜反射，反射后的双光子荧光经所述收光透镜的汇聚后，经带通滤光片射入所述记录仪器；

所述记录仪器用来记录双光子荧光的荧光强度，所述荧光强度用于确定所述紧聚焦激光装置发射的激光的焦点位置，所述焦点位置用来定位靶材的位置；

所述基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元确定第一荧光强度中数值最大的强度值为第二荧光强度；各所述第一荧光强度分别为靶板位于不同位置时所述激光在所述荧光涂层上激发的双光子荧光强度；根据所述第二荧光强度确定所述靶板初始位置；根据所述荧光涂层的厚度与靶材的厚度，计算纵向距离；根据所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定横向距离；根据所述靶板的初始位置以及所述纵向距离和所述横向距离，确定所述靶板的最终位置。

2.根据权利要求1所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，其特征在于，所述双色镜，设置在紧聚焦激光装置和靶板之间，还用于对紧聚焦激光装置发射的激光进行透射。

3.根据权利要求1所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，其特征在于，紧聚焦激光装置发射的激光瞬时功率为数十毫瓦量级及以上。

4.根据权利要求1所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，其特征在于，所述记录仪器为光谱仪、光电倍增管或者CCD(Charge Coupled Device)相机。

5.基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法，其特征在于，所述基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法应用于权利要求1-4任一项所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位系统，所述聚焦激光装置靶定位方法包括：

确定第一荧光强度中数值最大的强度值的为第二荧光强度；各所述第一荧光强度分别为靶板位于不同位置时所述激光在所述荧光涂层上激发的双光子荧光强度；

根据所述第二荧光强度确定所述靶板初始位置；

根据所述靶材的厚度，确定纵向距离；

根据所述靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定纵向距离和横向距离；

根据所述靶板的初始位置以及所述纵向距离和横向距离，确定所述靶板的最终位置。

6.根据权利要求5所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法，其特征在于，所述根据所述靶材的厚度和靶材的厚度及所述靶材中心与荧光涂层中心的距离，确定纵向距离和横向距离，执行这一步骤前还包括：

采用电子显微镜测量靶材的厚度。

7.根据权利要求5所述的基于双光子荧光效应的紧聚焦激光装置靶定位方法，其特征在于，根据所述纵向距离，确定所述靶板的最终位置并定位靶材的位置，具体包括：

建立三维坐标轴，移动靶材中心到所述荧光涂层中心位置，使得移动后所述靶材表面中心在三维空间的位置与移动前所述荧光涂层表面中心在三维空间的位置重合。