CN210220974U - 一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，该装置的光电探测器(4)从光斑检测面(5)上的光斑入射孔探测获取经聚焦透镜(13)聚焦的激光光斑，经信号发送线(3)发送至与其相连的中央处理器(1)，中央处理器(1)根据光斑信号数据变化向经信号接收线(3)与其相连的X、Y、Z向步进电机发送移动指令，直至光斑检测面(5)移动至激光焦点处，本实用新型运用平移台控制模块对光斑检测面位置进行反馈调节，实现对激光聚焦焦点位置的自动化寻找，同时可实现待测样品的精确置位，且可运用滤波图像重构模块实现对微小光斑的扫描成像。本实用新型适用于高超真空封闭空间，具备操作简易，测量方法灵活，系统架构简单，搭建成本较低等显著优势。

Description

一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置

技术领域

本实用新型总体地属于高超真空激光诊断及表征技术领域，具体地涉及一种激光光斑焦点的自动化定位与检测装置，同时提供了一种将样品移动到聚焦焦点处的方法。

背景技术

激光是原子受激辐射产生的光，被激发出来的光子束，光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源，具有单色性好，亮度高，方向性好的优势。激光应用广泛，有激光打标、激光焊接、激光切割等。实际应用过程中，聚焦系统的激光焦距因聚焦镜头及光学系统的不同而会有略微的差异。如何快速准确地获取聚焦系统的激光焦距，成为激光应用工艺的一个难题。

激光经过汇聚透镜系统在焦点位置形成最小的光斑尺寸，并达到最大的功率密度，利用这一特点可以对焦点进行定位和测量。

现有技术中，如日本专利文献特开平6-7980号和中国专利文献CN 102974936公开，对焦点位置的确定依赖于光电传感器探测等离子体光线，但不能同时探测焦点的具体大小。

在深紫外电磁波波段中，激光传输受水汽吸收衰减影响较大，须在真空条件下进行光路的调节和搭建，则无法因气体电离而产生等离子体光线，此外，常规CCD相机基本不能响应深紫外波段激光，目前市场中只有利用氮化镓(GaN)或铝镓氮(AlGaN)材料制造的光电探测器能够对100至300nm波段电磁波有较好的响应。

在样品表征领域，需要预先知悉聚焦光斑的具体大小，以匹配样品结构的特征尺寸，还需要将样品台移动至焦点位置。因此，有必要发明一种在超高真空等不便于调节和探测的特殊条件下，对深紫外激光焦点位置和大小同时确定的独特系统。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中深紫外激光光斑焦点位置和大小在超高真空等特殊条件下难以检测和定位技术缺陷，提供一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，该装置可以在高超真空环境下同时确定深紫外激光焦点的位置和大小；同时提供了一种激光光斑焦点的自动化检测与定位方法，该方法适用于高超真空等有限封闭实验环境，通过激光光斑焦点的自动化检测与定位，结合平移台控制，对光斑检测面位置进行反馈调节，从而实现对激光聚焦焦点位置的自动化寻找，同时可实现待测样品的精确置位。

本实用新型的技术方案是，一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，它包括中央处理器、信号发送线、信号接收线、光电探测器、光斑检测面、载物台、聚焦透镜；所述中央处理器通过信号接收线与光电探测器连接，用于接收光电探测器发送来的电流信号；所述光电探测器用于探测激光光信号，并将光信号线性转换成电流强度信号；所述中央处理器通过信号发送线分别与Z向步进电机、X向步进电机、Y向步进电机连接，用于向所述Z向步进电机、X向步进电机和Y向步进电机发送移动控制指令；所述光斑检测面用于响应传播的激光，其固定在载物台上，光电探测器和聚焦透镜分别设置于光斑检测面的两侧，光斑检测面上设有光斑入射孔，以使来自聚焦透镜方向的激光光束经聚焦透镜聚焦后从光斑入射孔进入光斑检测面的另一侧，被光电探测器探测，光电探测器根据探测到的光斑信号形成电流强度信号，所述中央处理器根据所述电流强度信号形成控制所述Z向步进电机、X向步进电机和/或Y向步进电机的移动控制指令；步进电机中的所述X向、Y向和Z向分别对应于激光光束传播垂直方向上的左右方向、激光光束传播垂直方向上的上下方向、激光光束传播方向；所述载物台由Z向步进电机、X向步进电机和Y向步进电机共同支撑定位，与上述步进电机同步移动；所述Z向步进电机、X向步进电机、Y向步进电机根据移动控制指令带动所述载物台移动到激光光斑焦点位置。

进一步的，上述Z向步进电机、X向步进电机和Y向步进电机移动的最小有效步长为0.01微米。

进一步的，上述中央处理器中内置有控制和数据处理模块，所述控制和数据处理模块用于分别控制Z向步进电机、X向步进电机和Y向步进电机在三个不同方向上移动，并分别同步记录步进电机位置坐标和位置坐标处接收到的光电探测器反馈的电流强度信号；然后将得到电流强度信号数组依次进行低通滤波、差分计算；再将差分值对相应的步进电机位置坐标绘制该步进电机运动方向的光强分布曲线，运用高斯函数对光强分布曲线进行拟合，得到其半高全宽，即定义为激光光斑在步进电机运动方向的大小。

更进一步的，上述聚焦透镜与所述光斑检测面之间的距离为聚焦透镜的焦距。

还进一步的，上述光斑入射孔为方形孔，所述方形孔的尺寸为2mm×2mm，厚度小于10微米，方形孔边缘的平整度优于0.1微米。

光斑入射孔的作用是对光斑某一个方向上切割，随着步进电机的移动，实现对整个光斑的扫描积分成像。

还进一步的，当经过所述聚焦透镜的激光光束为深紫外波段激光时，所述聚焦透镜一侧的光斑检测面表面涂覆荧光膜；所述激光光斑焦点的自动化检测与定位装置整体置于超高真空环境中。

还进一步的，上述载物台、Z向步进电机、X向步进电机和、Y向步进电机共同设置于基座上。

本实用新型的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置进行激光光束焦点自动化定位和样品置位的方法，包括以下步骤：

S1、将来自激光光源并经聚焦透镜聚焦后的聚焦光斑打在光斑检测面上，并位于光斑入射孔边缘；

S2、中央处理器向X向步进电机或Y向步进电机发送单步移动指令并根据接收的X向或Y向的电流信号强度的变化记录X向步进电机或Y向步进电机位置坐标；

S3、对步骤S2获得的X向或Y向的电流强度与对应的位置坐标的分布数据进行处理和计算，获得表征激光光斑在X向或Y向的大小的半高全宽；

S4、在获得激光光斑X向或Y向的大小后，同时记录Z向步进电机位置；中央处理器向Z向步进电机发送随机选择方向的第一次移动指令，然后重复步骤S2-S3，获得Z向步进电机移动后的第二组X向或Y向的半高全宽值；

S5、比较步骤S4中移动后的X向或Y向的半高全宽值与未移动之前对应的X向或Y向的半高全宽值变化，并据此调整Z向步进电机的移动方向；然后重复步骤S2-S3，再次获得Z向步进电机移动后的X向或Y向的半高全宽值；

S6、不断迭代运行步骤S5，当Z向步进电机单向运动范围小于10微米时停止迭代，记录中最小的光斑大小所对应的Z向位置坐标，完成焦点定位；

S7、在光斑检测面中心方形孔的一侧粘贴1mm×2mm大小的样品膜，将步骤S6所定位的焦点处聚焦光斑从该侧移入方形孔，完成样品的精确置位。

进一步的，上述步骤S3中获取激光光斑X向或Y向的值后，再按照步骤S2-S3同样的方法获取Y向或X向的值，所得激光光斑X向、Y向的值为Z向步进电机所处位置激光光斑的大小；当步骤S7中Z向步进电机处于焦点处时，所获得的激光光斑X向或Y向的值为焦点处激光光斑大小。

进一步的，上述步骤S2中，根据接收的X向或Y向的电流信号强度的变化记录X向步进电机或Y向步进电机位置坐标的方法为：X向步进电机或Y向步进电机根据移动指令移动到位，中央处理器接收到由光电探测器发送的电流信号；中央处理器记录此时该X向步进电机或Y向步进电机的位置坐标和电流信号强度；重复上述操作，直至光电探测器的发送来的电流信号强度不再上升，记录该位置坐标及其对应的电流信号强度，得到一组X向或Y向的电流强度与对应的位置坐标的分布数据；所述步骤S3中对步骤S2获得的X向或Y向的电流强度与对应的位置坐标的分布数据进行处理和计算的方法为：对步骤S2获得的信号强度数组依次进行低通滤波、差分计算，将差分值对对应的步进电机位置坐标做曲线，得到X向或Y向光强分布曲线，运用高斯函数对X向或Y向光强分布曲线进行拟合，得到其半高全宽，即定义为激光光斑X向或Y向的大小；所述步骤S5中根据半高全宽值变化调整Z向步进电机的移动方向的方法为：根据半高全宽值变化判断光斑大小是否变小：如果变小，则沿原方向保持步长继续移动Z向步进电机；反之，则沿反方向减小步长移动Z向步进电机。

本实用新型利用激光光斑的测量结果，结合平移台控制模块，对光斑检测面位置进行反馈调节，从而实现对激光聚焦焦点位置的自动化寻找，同时可实现待测样品的精确置位。同时，本实用新型运用滤波图像重构模块实现对微小光斑的扫描成像。

本实用新型相比于现有技术，其优势在于：

现有的聚焦光斑大小测量通常基于CCD成像方案，由于CCD单元尺寸下限约为1微米，因此难以对更加微小的光斑进行准确测量，本实用新型摒弃了CCD成像思路，仅采用单个光电探测器，配合高精度步进电机对光斑进行扫描测量，其测量精度可提升两个量级，因此利用对原始信号差分所得的光强分布曲线，可以在亚微米尺度上分析激光模式特征以及在光束变换过程中引入的一系列波前畸变，从而对光束聚焦效果给予更精细的诊断，可以更加细节的研究聚焦光斑形貌，对光束聚焦效果给予更精细的诊断。此外本技术具备一套完整的自动化反馈调节系统，可以在任何条件下快速准确的定位焦点位置。

本实用新型尤其适用于高超真空等封闭空间，具备操作简易，测量方法灵活，系统架构简单，搭建成本较低等显著优势。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型实施例的详细描述中，本实用新型的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚

并更容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置的结构示意图，其中：

1：中央处理器，2：信号发送线，3：信号接收线，4：光电探测器，5：光斑检测面，6：光斑入射孔，7：载物台，8：Z向步进电机，9：X向步进电机，10：Y向步进电机，11：固定基座，12：聚焦光斑，13：聚焦透镜，14：样品膜。

图2为光斑检测面5的正视图及对应的侧视图。

图3为本实用新型实施例的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置进行自动化光斑检测与焦点定位的模块过程示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，它包括中央处理器1、信号发送线2、信号接收线3、光电探测器4、光斑检测面5、载物台7、Z向步进电机8、X向步进电机9、Y向步进电机10、聚焦透镜13；所述中央处理器1通过信号接收线3与光电探测器4连接，用于接收光电探测器4发送来的电流信号；所述光电探测器4用于探测激光光信号，并将光信号线性转换成电流强度信号；所述中央处理器1通过信号发送线2分别与Z向步进电机8、X向步进电机9、Y向步进电机10连接，用于向所述Z向步进电机8、X向步进电机9和Y向步进电机10发送移动控制指令；所述载物台7由Z向步进电机8、X向步进电机9和Y向步进电机10共同支撑定位，与上述步进电机同步移动，载物台7、Z向步进电机8、X向步进电机9和、Y向步进电机10共同设置于基座11上；所述光斑检测面5用于响应传播的激光，其固定在载物台7上，光电探测器4和聚焦透镜13分别设置于光斑检测面5的两侧，光斑检测面5上设有方形的光斑入射孔，方形孔6的尺寸为2mm×2mm，厚度小于10微米，边缘的平整度优于0.1微米，以使来自聚焦透镜13方向的激光光束经聚焦透镜13聚焦后从光斑入射孔进入光斑检测面5的另一侧，被光电探测器4探测，光电探测器4根据探测到的光斑信号数据变化形成控制所述Z向步进电机8、X向步进电机9或Y向步进电机10移动的指令；所述X向、Y向和Z向分别对应于激光光束传播垂直方向上的左右方向、激光光束传播垂直方向上的上下方向、激光光束传播方向。

优选上述Z向步进电机8、X向步进电机9和Y向步进电机10移动的最小有效步长为0.01微米。

中央处理器1中内置有控制和数据处理模块，所述控制和数据处理模块用于分别控制Z向步进电机8、X向步进电机9和Y向步进电机10在三个不同方向上移动，并分别同步记录步进电机位置坐标和位置坐标处接收到的光电探测器4反馈的电流信号；然后将得到信号强度数组依次进行低通滤波、差分计算；再将差分值对相应的步进电机位置坐标作曲线，即为步进电机运动方向的光强分布曲线，运用高斯函数对光强分布曲线进行拟合，得到其半高全宽，即定义为激光光斑在步进电机运动方向的大小。

一般情况下，聚焦透镜13与所述光斑检测面5之间的距离为聚焦透镜13的焦距。

当经过所述聚焦透镜13的激光光束为深紫外波段激光时，所述聚焦透镜13一侧的光斑检测面5表面涂覆荧光膜；所述激光光斑焦点的自动化检测与定位装置整体置于超高真空环境中。

实施例2

一种激光光束焦点自动化定位和样品置位的方法，它应用实施例1的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，包括以下步骤：

S1、将来自激光光源并经聚焦透镜13聚焦后的聚焦光斑打在光斑检测面5上，并尽量位于光斑入射孔边缘；

S2、中央处理器1向X向步进电机9或Y向步进电机10发送单步移动指令，X向步进电机9或Y向步进电机10根据此指令移动到位，中央处理器1接收到由光电探测器4发送的电流信号；中央处理器1记录此时该X向步进电机9或Y向步进电机10的位置坐标和电流信号强度；重复上述操作，直至光电探测器4的发送来的电流信号强度不再上升，记录该位置坐标及其对应的电流信号强度，得到一组X向或Y向的电流强度与对应的位置坐标的分布数据；

S3、对步骤S2获得的信号强度数组依次进行低通滤波、差分计算，将差分值对对应的步进电机位置坐标做曲线，得到X向或Y向光强分布曲线，运用高斯函数对X向或Y向光强分布曲线进行拟合，得到其半高全宽，即定义为激光光斑X向或Y向的值；

S4、在获得激光光斑X向或Y向的值后，同时记录Z向步进电机8位置；中央处理器1向Z向步进电机8发送随机选择方向的第一次移动指令，然后重复步骤S2-S3，获得Z向步进电机8移动后的第二组X向或Y向的半高全宽值；

S5、比较步骤S4中移动后的X向或Y向的半高全宽值与未移动之前对应的X向或Y向的半高全宽值变化，以此判断光斑大小是否变小：如果变小，则沿原方向保持步长继续移动Z向步进电机8；反之，则沿反方向减小步长移动Z向步进电机8；然后重复步骤S2-S3，再次获得Z向步进电机8移动后的X向或Y向的半高全宽值；

S6、不断迭代运行步骤S5，当Z向步进电机8单向运动范围小于10微米时停止迭代，记录中最小的光斑大小所对应的Z向位置坐标，完成焦点定位；

S7、在光斑检测面5中心方形孔6的一侧粘贴1mm×2mm大小的样品膜14，将步骤S6所定位的焦点处聚焦光斑从该侧移入方形孔6，完成样品的精确置位。

上述步骤S3中，获取激光光斑X向或Y向的值后，再按照步骤S2-S3同样的方法获取Y向或X向的值，所得激光光斑X向、Y向的值为Z向步进电机8所处位置激光光斑的大小；当步骤S7中Z向步进电机8处于焦点处时，所获得的激光光斑X向或Y向的值为焦点处激光光斑大小。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，它包括中央处理器(1)、信号发送线(2)、信号接收线(3)、光电探测器(4)、光斑检测面(5)、载物台(7)、聚焦透镜(13)；

所述中央处理器(1)通过信号接收线(3)与光电探测器(4)连接，用于接收光电探测器(4)发送的电流信号；

所述光电探测器(4)用于探测激光光信号，并将光信号线性转换成电流强度信号；

所述中央处理器(1)通过信号发送线(2)分别与Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)、Y向步进电机(10)连接，用于向所述Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和Y向步进电机(10)发送移动控制指令；

所述光斑检测面(5)用于响应传播的激光，其固定在载物台(7)上，光电探测器(4)和聚焦透镜(13)分别设置于光斑检测面(5)的两侧，光斑检测面(5)上设有光斑入射孔，以使来自聚焦透镜(13)方向的激光光束经聚焦透镜(13)聚焦后从光斑入射孔进入光斑检测面(5)的另一侧，被光电探测器(4)探测，光电探测器(4)根据探测到的光斑信号数据变化形成电流强度信号，所述中央处理器(1)根据电流强度信号形成用于控制所述Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和/或Y向步进电机(10)的移动指令；

所述步进电机中的X向、Y向和Z向分别对应于激光光束传播垂直方向上的左右方向、激光光束传播垂直方向上的上下方向、激光光束传播方向；

所述载物台(7)由Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和Y向步进电机(10)共同支撑定位，与上述步进电机同步移动；

所述Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)、Y向步进电机(10)根据移动控制指令带动所述载物台(7)移动到激光光斑焦点位置。

2.如权利要求1所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，所述Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和Y向步进电机(10)移动的最小有效步长为0.01微米。

3.如权利要求1所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，所述中央处理器(1)中内置有控制和数据处理模块，

所述控制和数据处理模块用于分别控制Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和Y向步进电机(10)在三个不同方向上移动，并分别同步记录步进电机位置坐标和位置坐标处接收到的光电探测器(4)反馈的电流强度信号；然后将得到电流强度信号数组依次进行低通滤波、差分计算；再将差分值对相应的步进电机位置坐标绘制该步进电机运动方向的光强分布曲线，运用高斯函数对光强分布曲线进行拟合，得到其半高全宽，即定义为激光光斑在步进电机运动方向的大小。

4.如权利要求1所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，所述聚焦透镜(13)与所述光斑检测面(5)之间的距离为聚焦透镜(13)的焦距。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，所述光斑入射孔为方形孔(6)，所述方形孔(6)的尺寸为2mm×2mm，厚度小于10微米，方形孔(6)边缘的平整度优于0.1微米。

6.如权利要求5所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，经过所述聚焦透镜(13)的激光光束为深紫外波段激光时，所述聚焦透镜(13)一侧的光斑检测面(5)表面涂覆荧光膜；所述激光光斑焦点的自动化检测与定位装置整体置于超高真空环境中。

7.如权利要求5所述的激光光斑焦点的自动化检测与定位装置，其特征在于，所述载物台(7)、Z向步进电机(8)、X向步进电机(9)和、Y向步进电机(10)共同设置于基座(11)上。

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