專利名稱：一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光掃描技術(shù)，具體為一種具有色散補(bǔ)償功能的基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器(acoustic-optical deflector，AOD)的激光掃描裝置，它尤其適合于多光子激發(fā)掃描測(cè)量與成像，激光微加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用聲光偏轉(zhuǎn)器控制激光光束進(jìn)行掃描是一種非常有前途的激光掃描技術(shù)，尤其在多光子激發(fā)掃描測(cè)量與成像，激光微加工等領(lǐng)域有著很有前途的應(yīng)用。國(guó)外已經(jīng)在這方面申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，例如美國(guó)專利No.6,804,000B2，美國(guó)專利No.US 2002/0023903 A1。在美國(guó)專利No.6,804,000 B2中使用單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行超短脈沖激光的掃描，并用單個(gè)棱鏡補(bǔ)償單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，提出采用兩個(gè)棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，但裝置比較復(fù)雜，透射率低；在美國(guó)專利No.US 2002/0023903 A1中使用二維聲光偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行超短脈沖激光的二維掃描，并用衍射光柵補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，該發(fā)明主要應(yīng)用于激光微加工領(lǐng)域，且沒(méi)有提到對(duì)二維聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間色散進(jìn)行補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置，該激光掃描裝置解決了二維聲光偏轉(zhuǎn)器帶來(lái)的色散問(wèn)題。
本發(fā)明提供的一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置，包括由相互正交放置的X向聲光偏轉(zhuǎn)器和Y向聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成的二維聲光偏轉(zhuǎn)器，其特征在于在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前或之后傾斜β度放置頂角為A的三角棱鏡，使激光導(dǎo)入二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔。
其中，β值滿足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉(zhuǎn)器中第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器和第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(1)]]>項(xiàng)角A滿足(II)式要求，式中Δθz為二維聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角，n為棱鏡對(duì)光的折射率，λn為中心波長(zhǎng)，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度Δθz＝sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]-(II)。
sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]作為本發(fā)明的進(jìn)一步特征，三角棱鏡到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔表面的光程為L(zhǎng)，光程L滿足(III)式要求，其中，λ為光波長(zhǎng)，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)光的偏轉(zhuǎn)角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>三角棱鏡與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間可設(shè)置第一反射鏡和第二反射鏡。
本發(fā)明提出了一種新的補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器色散的裝置——用單個(gè)棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器色散，從而實(shí)現(xiàn)了一種新的基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描方法和裝置。由于本發(fā)明既能實(shí)現(xiàn)二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散補(bǔ)償，同時(shí)也補(bǔ)償了時(shí)間色散，因此適用于多光子激發(fā)掃描測(cè)量與成像。多光子激發(fā)要求激發(fā)脈沖光有較高的峰值能量密度和平均光強(qiáng)，而聲光偏轉(zhuǎn)器一般是用大色散材料做成的，比如TeO2，因此會(huì)引起脈沖激光產(chǎn)生較大的色散，引起脈沖展寬和光斑變形，降低了多光子激發(fā)效率，激發(fā)出的熒光強(qiáng)度減小，信噪比降低，還會(huì)造成圖像模糊，降低空間分辨率，使得圖像質(zhì)量變差。單個(gè)棱鏡傾斜放置的裝置，能同時(shí)補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，而不需要用兩個(gè)棱鏡分別補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散。棱鏡補(bǔ)償聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散的同時(shí)，對(duì)時(shí)間色散也有一定的補(bǔ)償作用，減小了激光脈沖寬度的展寬，能提高多光子激發(fā)獲取的熒光圖像的成像質(zhì)量。類似的，本發(fā)明如果應(yīng)用于多次諧波激光掃描成像顯微鏡中，也可以提高成像質(zhì)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)激光進(jìn)行二維掃描時(shí)，既補(bǔ)償了二維聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)超短脈沖光的空間色散，同時(shí)也補(bǔ)償了二維聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間色散。這一裝置結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)節(jié)，適用于多光子激發(fā)掃描測(cè)量與成像，激光微加工等領(lǐng)域，特別適用于需要光斑在多個(gè)感興趣的區(qū)域隨機(jī)跳躍掃描的情況。


圖1是本發(fā)明裝置原理示意圖。
圖2為本發(fā)明裝置的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)超短脈沖光的偏轉(zhuǎn)以及空間色散示意圖。
圖4a是二維聲光偏轉(zhuǎn)器引起的空間色散示意圖；圖4b是二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散導(dǎo)致光斑畸變情況示意圖。
圖5是二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散與聲波頻率的關(guān)系示意圖。
圖6a是棱鏡對(duì)超短脈沖光的偏轉(zhuǎn)以及空間色散示意圖；圖6b是棱鏡補(bǔ)償單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散原理圖示意圖。
圖7a是當(dāng)超短脈沖光以布儒斯特角入射，棱鏡頂角與其產(chǎn)生的空間色散量的關(guān)系圖；圖7b是等邊三角棱鏡的空間色散量與光入射角度的關(guān)系圖。
圖8是發(fā)明裝置的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
圖9a和圖9b是單個(gè)棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散的原理圖，其中，圖9a為棱鏡放置在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前，圖9b為棱鏡放置在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之后。
圖10是表示棱鏡相對(duì)于二維聲光偏轉(zhuǎn)器傾斜角度的示意圖。
圖11是棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散補(bǔ)償前后的光斑變化測(cè)試系統(tǒng)原理圖。
圖12是將本發(fā)明應(yīng)用于多光子激發(fā)掃描顯微鏡而建立的新系統(tǒng)的組成圖。
圖13是單個(gè)棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散后觀測(cè)光斑形狀變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖14是圖12所示系統(tǒng)中加入棱鏡補(bǔ)償色散前后獲得的熒光小球圖像比較。
圖15是表示單個(gè)棱鏡對(duì)二維聲光偏轉(zhuǎn)器時(shí)間色散補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括二維聲光偏轉(zhuǎn)器和三角棱鏡。二維聲光偏轉(zhuǎn)器由正交放置的Y向聲光偏轉(zhuǎn)器4和X向聲光偏轉(zhuǎn)器5構(gòu)成，二維聲光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈沖激光的二維掃描，并引起色散，為此，在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前或之后傾斜β度放置頂角為A的三角棱鏡1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器的色散補(bǔ)償。β和A的值的計(jì)算方法如下傾斜度β采用下式計(jì)算，其中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉(zhuǎn)器中第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器和第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角β=tan-1(ΔθyΔθx);]]>頂角A采用下式計(jì)算，其中Δθz為二維聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角，n為棱鏡對(duì)光的折射率，λn為中心波長(zhǎng)，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度|Δθz|=sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]-sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1].]]>當(dāng)滿足下述條件時(shí)，本發(fā)明可以達(dá)到更好的補(bǔ)償效果即三角棱鏡1到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔表面的光程為L(zhǎng)，光程L采用下式計(jì)算|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>其中，λ為光波長(zhǎng)，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)光的偏轉(zhuǎn)角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度。
為了使得操作更方便、簡(jiǎn)單，在三角棱鏡1與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間可設(shè)置第一反射鏡2和第二反射鏡3，將激光導(dǎo)入二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔(即與三角棱鏡較近的聲光偏轉(zhuǎn)器的通光孔)。
本發(fā)明的巧妙之處在于將棱鏡相對(duì)于二維聲光偏轉(zhuǎn)器傾斜了一個(gè)特定的角度，使得用單個(gè)棱鏡能夠同時(shí)補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散。本發(fā)明也可以通過(guò)改變光入射棱鏡的角度來(lái)進(jìn)一步調(diào)整空間色散補(bǔ)償量，還可以通過(guò)改變棱鏡相對(duì)于聲光偏轉(zhuǎn)器的距離調(diào)整時(shí)間色散補(bǔ)償量。
下面對(duì)此作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明如圖3所示，聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)入射光束的偏轉(zhuǎn)角為θ=λΛ=λfν---(1)]]>其中λ為晶體中的光波長(zhǎng)，Λ為聲波波長(zhǎng)，f為聲波41的頻率，ν為聲波在聲光晶體中傳播速度。對(duì)于超短脈沖光入射，聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)不同波長(zhǎng)的光偏轉(zhuǎn)角度不同，因此偏轉(zhuǎn)光存在一定的發(fā)散角，根據(jù)式1)得到帶寬為Δλ的入射光通過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器后的發(fā)散角為Δθ=ΔλΛ=Δλfν,---(2)]]>即聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散量可表示為ϵ=ΔθΔλ=fν---(3)]]>由于空間色散的存在，超短脈沖光通過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器后光斑形狀會(huì)發(fā)生改變，圖3所示，假設(shè)入射為圓形光斑101，出射偏轉(zhuǎn)光的光斑108變?yōu)闄E圓，圖中用λn＞…＞λ2＞λ1表示光譜分布。
如果讓超短脈沖光入射兩個(gè)在垂直和水平方向正交放置的聲光偏轉(zhuǎn)器，則二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散將共同作用于出射偏轉(zhuǎn)光上，引起偏轉(zhuǎn)光發(fā)散。假設(shè)水平放置的X向聲光偏轉(zhuǎn)器5引起的發(fā)散角為Δθx，垂直放置的Y向聲光偏轉(zhuǎn)器4引起的發(fā)散角為Δθy，如圖4a所示，則二維聲光偏轉(zhuǎn)器共同作用時(shí)的光發(fā)散角Δθz可以表示為Δθz=(Δθx)2+(Δθy)2---(4)]]>即二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散量εz表示為ϵz=ΔθzΔλ---(5)]]>由于二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散的影響，會(huì)引起出射光發(fā)散，進(jìn)而導(dǎo)致光斑變形。假設(shè)入射光的光斑為圓形，則出射光斑會(huì)變?yōu)闄E圓，如果兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器同時(shí)作用，則不但會(huì)變?yōu)闄E圓，而且光斑相對(duì)于X軸有一定的傾斜角，如圖4b所示，其中λn＞…＞λ2＞λ1。傾斜角α為α=tan-1(ΔθyΔθx)---(6)]]>例如，飛秒激光器(Tis，Spectra-Physics)輸出的脈沖激光(中心波長(zhǎng)為800nm，帶寬10nm)通過(guò)正交放置的兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器(晶體材料為TeO2，聲波頻率范圍78MHz～114MHz，聲波在晶體中的傳播速度650m/s)后，根據(jù)式2)、3)、4)、5)可以得到產(chǎn)生的空間色散量隨著聲波頻率的改變?cè)?.009722°/nm～0.01421°/nm之間變化，當(dāng)兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器都工作在聲波中心頻率96MHz時(shí)，空間色散量為0.01196°/nm，如圖5所示。而由式6)可以得到光斑相對(duì)于X軸的傾斜角在34.37°～56.08°之間變化，當(dāng)兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器工作的聲波頻率相等時(shí)，傾斜角為45°。
為了解決兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器色散的問(wèn)題，本發(fā)明采用了一種色散元件——棱鏡對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。棱鏡對(duì)入射光有偏折的作用，如圖6a所示，光以入射角I1進(jìn)入棱鏡1，出射光相對(duì)于入射光有一定的偏轉(zhuǎn)角D，則棱鏡1對(duì)超短脈沖光的發(fā)散角可以表示為ΔD＝sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]- (6)sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosA sin I1]即棱鏡的空間色散量σ可表示為σ=ΔDΔλ---(7)]]>
其中A為棱鏡的頂角，n(λ)為棱鏡對(duì)波長(zhǎng)為λ的光波的折射率，λ0為脈沖激光的中心波長(zhǎng)，Δλ為帶寬。圖6a所示，假設(shè)入射光斑101為圓形，經(jīng)過(guò)棱鏡后光斑102變?yōu)闄E圓，且光譜分布情況為λn＜…＜λ2＜λ1。
用單個(gè)棱鏡補(bǔ)償兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散時(shí)，就是要使得棱鏡產(chǎn)生的空間色散量與兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生的空間色散量符號(hào)相反、數(shù)值相等。因此只需要令εz與σ的絕對(duì)值相等，即|εz|＝|σ|(8)將式5)、7)代入式8)，且令光入射棱鏡的角I1為布儒斯特角，可求出所需三棱鏡的頂角A。
例如，為了解決前面例子中二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，過(guò)程如下因?yàn)榍懊嬗?jì)算得到的二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散量隨著聲波頻率的改變?cè)?.009722°/nm～0.01421°/nm之間變化，而棱鏡只能補(bǔ)償某個(gè)頻率點(diǎn)的空間色散量。為了在二維聲光偏轉(zhuǎn)器的整個(gè)聲波頻率范圍內(nèi)都較好的補(bǔ)償其空間色散，應(yīng)該以中心聲波頻率處的色散量0.01196°/nm為準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，且棱鏡相對(duì)于X軸傾斜角β＝45°。雖然這樣做會(huì)使得高于聲波中心頻率時(shí)，色散欠補(bǔ)償；而低于中心頻率時(shí)，色散過(guò)補(bǔ)償，但這是能做到的最好結(jié)果。
選定色散值較大的ZF4玻璃作為棱鏡材料，其折射率與入射光波長(zhǎng)關(guān)系可用如下關(guān)系式表示n2(λ)＝a0+a1λ2+a2λ-2+a3λ-4+a4λ-6+a5λ-8(9)其中n為折射率，λ為入射光波長(zhǎng)，a0，a1，a2，a3，a4，a5為折射率常數(shù)。中心波長(zhǎng)800nm，帶寬10nm的飛秒脈沖激光以布儒斯特角入射時(shí)，棱鏡頂角和空間色散補(bǔ)償量的關(guān)系可以由式6)、9)計(jì)算得到，如圖7a所示。而當(dāng)棱鏡頂角A＝64.74°時(shí)，能產(chǎn)生的空間色散補(bǔ)償量為0.01104°/nm，和需要的補(bǔ)償量(0.01196°/nm)基本相當(dāng)。
如果沒(méi)有頂角正好是64.74°的棱鏡，還可以調(diào)節(jié)光入射棱鏡的角度來(lái)調(diào)整空間色散補(bǔ)償量。以頂角為60°的等邊棱鏡為例，如果光以布儒斯特角入射，空間色散補(bǔ)償量?jī)H有0.005809°/nm，大約只有所需補(bǔ)償量的一半。但是如果改變光入射棱鏡的角度，則能調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償量的大小，如圖7b所示。當(dāng)光入射角為47.5°時(shí)，空間色散量為0.01213°/nm，與所需的補(bǔ)償量相近，因此可以根據(jù)補(bǔ)償量的需要，來(lái)調(diào)節(jié)光入射棱鏡的角度。
圖9是棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散時(shí)，放置在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前或者之后的原理圖。圖中光斑101，103，104，105，106，107表示光路中各個(gè)位置處光斑的形狀。
對(duì)于時(shí)間色散補(bǔ)償，可以通過(guò)改變棱鏡到二維聲光偏轉(zhuǎn)器中的第一個(gè)Y向聲光偏轉(zhuǎn)器4之間的光程長(zhǎng)L來(lái)調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償量。
二維聲光偏轉(zhuǎn)器引入的材料色散GDDA為GDDA=λ32πc2dd2ndλ2|λ,---(10)]]>其中c為真空中的光速度，d為二維聲光偏轉(zhuǎn)器晶體的厚度， 為二維聲光偏轉(zhuǎn)器材料的二階色散率。
而光進(jìn)入棱鏡時(shí)，引入的角色散GDDa為GDDa=-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2---(11)]]>其中L為棱鏡到兩維二維聲光偏轉(zhuǎn)器中第一個(gè)二維聲光偏轉(zhuǎn)器通光孔表面的光程。棱鏡引起的材料色散GDDM為GDDM=λ32πC2(s/2)d2ndλ2|λ---(12)]]>其中，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1]]>h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度。由式11)、12)求得棱鏡引起的總色散GDDP為GDDP＝GDDa+GDDM(13)而為了使棱鏡盡可能補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間色散，應(yīng)使得|GDDA+GDDp|最小，最好為0。因此我們可以根據(jù)這個(gè)來(lái)調(diào)節(jié)棱鏡到第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器通光孔表面光程L來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間色散補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)。
綜上所述，在確定好棱鏡的頂角A，棱鏡放置的傾斜角度β后，可以調(diào)節(jié)光入射棱鏡的角度I1來(lái)調(diào)節(jié)空間色散補(bǔ)償量，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)棱鏡到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的通光孔表面的光程長(zhǎng)L來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)間色散補(bǔ)償量。
在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間可加入中繼光路系統(tǒng)(如透鏡)，且X向聲光偏轉(zhuǎn)器和Y向聲光偏轉(zhuǎn)器分別處于中繼光路的物象共軛位置。
實(shí)例一根據(jù)圖11所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用等邊三棱鏡(頂角60°)進(jìn)行了棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散實(shí)驗(yàn)。圖8所示，棱鏡傾斜45°放置，光入射棱鏡的角度為47.5°，且棱鏡到第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器4的通光孔表面的光程為20cm(以下實(shí)驗(yàn)中均是如此)。圖11a所示，先讓飛秒激光器6發(fā)出的單色光(800nm)通過(guò)二維聲光偏轉(zhuǎn)器后打到白屏8上，用CCD 7拍攝光斑形狀。使得二維聲光偏轉(zhuǎn)器的聲波頻率在78MHz～114MHz之間快速等間隔變化，從而得到圖13a所示光斑陣列圖。此時(shí)因?yàn)槭菃紊馊肷?，所以沒(méi)有空間色散，不會(huì)導(dǎo)致光斑變形，因此圖13a相當(dāng)于原始光斑形狀；如果飛秒激光器發(fā)出的是帶寬為10nm的脈沖光，則得到的光斑陣列見(jiàn)圖13b所示，光斑為傾斜橢圓，相比于12a圖，空間色散的影響明顯。當(dāng)飛秒脈沖光通過(guò)圖11b所示系統(tǒng)后，因?yàn)槔忡R1對(duì)二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散起到了補(bǔ)償作用，因此得到的光斑陣列如圖13c所示，光斑又重新變?yōu)閳A形，接近圖13a所示沒(méi)有空間色散的情形。
實(shí)施二將補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的多光子激發(fā)隨機(jī)掃描顯微鏡中，如圖12所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，飛秒激光器6發(fā)出的激光通過(guò)本發(fā)明裝置進(jìn)行二維掃描后，經(jīng)過(guò)掃描透鏡9、狹縫10、顯微鏡中的筒鏡11、二色鏡12、物鏡13、到達(dá)樣品14(若丹明6G標(biāo)記的聚苯乙烯熒光小球)，多光子激發(fā)出的熒光用光電倍增管15探測(cè)，從而獲取樣品的多光子激發(fā)的熒光圖像。
實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)中先不加入補(bǔ)償棱鏡1，獲取的熒光小球圖像如圖14a所示，由于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散影響，小球熒光圖像上有斜條紋，且比較模糊；然后在系統(tǒng)中加入棱鏡以補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散，獲取的小球圖像如圖14b所示，由于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的空間色散得到補(bǔ)償，小球圖像上的斜條紋變得不明顯(或者說(shuō)消失了)，且圖像比較清晰；圖14c是用奧林巴斯FY300共聚焦掃描顯微鏡獲取的該樣品的多光子激發(fā)熒光圖像，由于該掃描顯微鏡中用的是振鏡掃描，不存在空間色散，用該系統(tǒng)獲取的圖像可以作為一個(gè)參考，以比較基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的多光子激發(fā)掃描顯微成像系統(tǒng)用棱鏡補(bǔ)償空間色散前后，圖像質(zhì)量的改善情況。
棱鏡在補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散的同時(shí)，也能補(bǔ)償時(shí)間色散。圖15很好的說(shuō)明了本發(fā)明也能有效補(bǔ)償時(shí)間色散的這一特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中棱鏡到第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器通光孔表面的光程為20cm。圖15a為飛秒激光器輸出脈沖激光的原始脈寬，為84fs(標(biāo)準(zhǔn)偏差2fs)，圖15b為二維聲光偏轉(zhuǎn)器(此時(shí)聲波在中心頻率處)引起超短脈沖光時(shí)間色散后，激光脈寬變?yōu)?04fs(標(biāo)準(zhǔn)偏差5fs)，圖15c為棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器(此時(shí)聲波在中心頻率處)時(shí)間色散后，激光脈寬減小為226fs(標(biāo)準(zhǔn)偏差5fs)。改變二維聲光偏轉(zhuǎn)器的工作頻率(78MHz～114MHz)，不加補(bǔ)償棱鏡，輸出脈寬在355fs～520fs之間變化；加上補(bǔ)償棱鏡后，輸出光脈寬在207fs～267fs之間變化，時(shí)間色散平均減小了約200fs。
本發(fā)明可以直接應(yīng)用于激光微加工領(lǐng)域?；诙S聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置結(jié)合超短脈沖激光后用來(lái)進(jìn)行微加工有很多優(yōu)點(diǎn)，例如定位精確、可重復(fù)性高、速度快，但是聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)超短脈沖激光的空間色散會(huì)導(dǎo)致光斑變形，且降低掃描裝置可分辨的光點(diǎn)數(shù)，使得微加工精度降低。而棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器空間色散后，能很好的校正光斑變形，提高空間分辨率，從而提高激光微加工的精度。
除了應(yīng)用在多光子激發(fā)掃描顯微鏡中，本發(fā)明還可以應(yīng)用于多次諧波激光掃描成像顯微鏡中。多次諧波成像也是一種非線性成像，需要用到超短脈沖激光，也可以利用二維聲光偏轉(zhuǎn)器控制激光束達(dá)到掃描樣品的目的，因此也面臨二維聲光偏轉(zhuǎn)器帶來(lái)的色散問(wèn)題，和多光子激發(fā)熒光成像類似。同樣可以通過(guò)單個(gè)棱鏡來(lái)補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器的色散。
總之，單個(gè)棱鏡補(bǔ)償二維聲光偏轉(zhuǎn)器色散的方法簡(jiǎn)單實(shí)用、效果明顯，對(duì)于多光子激發(fā)掃描測(cè)量和成像、激光微加工等領(lǐng)域有重要的意義，特別適用于需要光斑在多個(gè)感興趣的區(qū)域隨機(jī)跳躍掃描的情況。
權(quán)利要求
1.一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置，包括由正交放置的X向聲光偏轉(zhuǎn)器和Y向聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成的二維聲光偏轉(zhuǎn)器，其特征在于在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前或之后傾斜β度設(shè)置有頂角為A的三角棱鏡(1)，其中β值滿足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分別為二維聲光偏轉(zhuǎn)器中第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器和第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(I)]]>頂角A滿足(II)式要求，式中Δθz為二維聲光偏轉(zhuǎn)器引起的光發(fā)散角，n為棱鏡對(duì)光的折射率，λ0為中心波長(zhǎng)，Δλ為帶寬，A為棱鏡頂角，I1為光入射棱鏡的角度|Δθz|=sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]-sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]---(II).]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描裝置，其特征在于三角棱鏡(1)到二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔表面的光程為L(zhǎng)，光程L滿足(III)式要求，其中，λ為光波長(zhǎng)，c為真空中的光速，θ為聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)光的偏轉(zhuǎn)角，n為折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A為棱鏡頂角，h為光束直徑，I1為光入射棱鏡的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于三角棱鏡(1)與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)置有第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)，使激光導(dǎo)入二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于β＝45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光掃描裝置，其特征在于二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)有透鏡，且X向聲光偏轉(zhuǎn)器和Y向聲光偏轉(zhuǎn)器分別處于透鏡的物象共軛位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二維聲光偏轉(zhuǎn)器的激光掃描裝置。它包括由正交放置的X向聲光偏轉(zhuǎn)器和Y向聲光偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成的二維聲光偏轉(zhuǎn)器，在二維聲光偏轉(zhuǎn)器之前或之后傾斜β度設(shè)置有頂角為A的三角棱鏡，三角棱鏡與二維聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)置有第一反射鏡和第二反射鏡，使激光導(dǎo)入二維聲光偏轉(zhuǎn)器的第一通光孔。在聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)激光進(jìn)行二維掃描時(shí)，既補(bǔ)償了二維聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)超短脈沖光的空間色散，同時(shí)也補(bǔ)償了二維聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間色散。這一裝置結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)節(jié)，適用于多光子激發(fā)掃描測(cè)量與成像，激光微加工等領(lǐng)域，特別適用于需要光斑在多個(gè)感興趣的區(qū)域隨機(jī)跳躍掃描的情況。
文檔編號(hào)G02B26/10GK1749803SQ200510019130
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者曾紹群, 駱清銘, 占成, 呂曉華 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)