专利名称：一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光扫描技术，具体为一种具有色散补偿功能的基于二维声光偏转器(acoustic-optical deflector，AOD)的激光扫描装置，它尤其适合于多光子激发扫描测量与成像，激光微加工等领域。
背景技术：
利用声光偏转器控制激光光束进行扫描是一种非常有前途的激光扫描技术，尤其在多光子激发扫描测量与成像，激光微加工等领域有着很有前途的应用。国外已经在这方面申请了多项专利，例如美国专利No.6,804,000B2，美国专利No.US 2002/0023903 A1。在美国专利No.6,804,000 B2中使用单个声光偏转器进行超短脉冲激光的扫描，并用单个棱镜补偿单个声光偏转器的空间色散，提出采用两个棱镜补偿二维声光偏转器的空间色散，但装置比较复杂，透射率低；在美国专利No.US 2002/0023903 A1中使用二维声光偏转器进行超短脉冲激光的二维扫描，并用衍射光栅补偿二维声光偏转器的空间色散，该发明主要应用于激光微加工领域，且没有提到对二维声光偏转器的时间色散进行补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置，该激光扫描装置解决了二维声光偏转器带来的色散问题。
本发明提供的一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置，包括由相互正交放置的X向声光偏转器和Y向声光偏转器构成的二维声光偏转器，其特征在于在二维声光偏转器之前或之后倾斜β度放置顶角为A的三角棱镜，使激光导入二维声光偏转器的第一通光孔。
其中，β值满足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分别为二维声光偏转器中第一个声光偏转器和第二个声光偏转器引起的光发散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(1)]]>项角A满足(II)式要求，式中Δθz为二维声光偏转器引起的光发散角，n为棱镜对光的折射率，λn为中心波长，Δλ为带宽，A为棱镜顶角，I1为光入射棱镜的角度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]作为本发明的进一步特征，三角棱镜到二维声光偏转器的第一通光孔表面的光程为L，光程L满足(III)式要求，其中，λ为光波长，c为真空中的光速，θ为声光偏转器对光的偏转角，n为折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A为棱镜顶角，h为光束直径，I1为光入射棱镜的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>三角棱镜与二维声光偏转器之间可设置第一反射镜和第二反射镜。
本发明提出了一种新的补偿二维声光偏转器色散的装置——用单个棱镜补偿二维声光偏转器色散，从而实现了一种新的基于二维声光偏转器的激光扫描方法和装置。由于本发明既能实现二维声光偏转器的空间色散补偿，同时也补偿了时间色散，因此适用于多光子激发扫描测量与成像。多光子激发要求激发脉冲光有较高的峰值能量密度和平均光强，而声光偏转器一般是用大色散材料做成的，比如TeO2，因此会引起脉冲激光产生较大的色散，引起脉冲展宽和光斑变形，降低了多光子激发效率，激发出的荧光强度减小，信噪比降低，还会造成图像模糊，降低空间分辨率，使得图像质量变差。单个棱镜倾斜放置的装置，能同时补偿二维声光偏转器的空间色散，而不需要用两个棱镜分别补偿二维声光偏转器的色散。棱镜补偿声光偏转器空间色散的同时，对时间色散也有一定的补偿作用，减小了激光脉冲宽度的展宽，能提高多光子激发获取的荧光图像的成像质量。类似的，本发明如果应用于多次谐波激光扫描成像显微镜中，也可以提高成像质量。本发明的优点在于在声光偏转器对激光进行二维扫描时，既补偿了二维声光偏转器对超短脉冲光的空间色散，同时也补偿了二维声光偏转器的时间色散。这一装置结构紧凑、易于调节，适用于多光子激发扫描测量与成像，激光微加工等领域，特别适用于需要光斑在多个感兴趣的区域随机跳跃扫描的情况。
图1是本发明装置原理示意图。
图2为本发明装置的一种具体实施方式
的结构示意图；图3是声光偏转器对超短脉冲光的偏转以及空间色散示意图。
图4a是二维声光偏转器引起的空间色散示意图；图4b是二维声光偏转器空间色散导致光斑畸变情况示意图。
图5是二维声光偏转器空间色散与声波频率的关系示意图。
图6a是棱镜对超短脉冲光的偏转以及空间色散示意图；图6b是棱镜补偿单个声光偏转器空间色散原理图示意图。
图7a是当超短脉冲光以布儒斯特角入射，棱镜顶角与其产生的空间色散量的关系图；图7b是等边三角棱镜的空间色散量与光入射角度的关系图。
图8是发明装置的应用实例示意图。
图9a和图9b是单个棱镜补偿二维声光偏转器空间色散的原理图，其中，图9a为棱镜放置在二维声光偏转器之前，图9b为棱镜放置在二维声光偏转器之后。
图10是表示棱镜相对于二维声光偏转器倾斜角度的示意图。
图11是棱镜补偿二维声光偏转器空间色散补偿前后的光斑变化测试系统原理图。
图12是将本发明应用于多光子激发扫描显微镜而建立的新系统的组成图。
图13是单个棱镜补偿二维声光偏转器空间色散后观测光斑形状变化的实验结果。
图14是图12所示系统中加入棱镜补偿色散前后获得的荧光小球图像比较。
图15是表示单个棱镜对二维声光偏转器时间色散补偿的实验结果。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括二维声光偏转器和三角棱镜。二维声光偏转器由正交放置的Y向声光偏转器4和X向声光偏转器5构成，二维声光偏转器实现对超短脉冲激光的二维扫描，并引起色散，为此，在二维声光偏转器之前或之后倾斜β度放置顶角为A的三角棱镜1来实现对声光偏转器的色散补偿。β和A的值的计算方法如下倾斜度β采用下式计算，其中Δθy和Δθx分别为二维声光偏转器中第一个声光偏转器和第二个声光偏转器引起的光发散角β=tan-1(ΔθyΔθx);]]>顶角A采用下式计算，其中Δθz为二维声光偏转器引起的光发散角，n为棱镜对光的折射率，λn为中心波长，Δλ为带宽，A为棱镜顶角，I1为光入射棱镜的角度|Δθz|=sin-1[(n(λ0+Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1]-sin-1[(n(λ0-Δλ/2)2-sin2I1)1/2sinA-cosAsinI1].]]>当满足下述条件时，本发明可以达到更好的补偿效果即三角棱镜1到二维声光偏转器的第一通光孔表面的光程为L，光程L采用下式计算|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>其中，λ为光波长，c为真空中的光速，θ为声光偏转器对光的偏转角，n为折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A为棱镜顶角，h为光束直径，I1为光入射棱镜的角度。
为了使得操作更方便、简单，在三角棱镜1与二维声光偏转器之间可设置第一反射镜2和第二反射镜3，将激光导入二维声光偏转器的第一通光孔(即与三角棱镜较近的声光偏转器的通光孔)。
本发明的巧妙之处在于将棱镜相对于二维声光偏转器倾斜了一个特定的角度，使得用单个棱镜能够同时补偿二维声光偏转器的色散。本发明也可以通过改变光入射棱镜的角度来进一步调整空间色散补偿量，还可以通过改变棱镜相对于声光偏转器的距离调整时间色散补偿量。
下面对此作进一步详细地说明如图3所示，声光偏转器对入射光束的偏转角为θ=λΛ=λfν---(1)]]>其中λ为晶体中的光波长，Λ为声波波长，f为声波41的频率，ν为声波在声光晶体中传播速度。对于超短脉冲光入射，声光偏转器对不同波长的光偏转角度不同，因此偏转光存在一定的发散角，根据式1)得到带宽为Δλ的入射光通过声光偏转器后的发散角为Δθ=ΔλΛ=Δλfν,---(2)]]>即声光偏转器的空间色散量可表示为ϵ=ΔθΔλ=fν---(3)]]>由于空间色散的存在，超短脉冲光通过声光偏转器后光斑形状会发生改变，图3所示，假设入射为圆形光斑101，出射偏转光的光斑108变为椭圆，图中用λn＞…＞λ2＞λ1表示光谱分布。
如果让超短脉冲光入射两个在垂直和水平方向正交放置的声光偏转器，则二维声光偏转器的空间色散将共同作用于出射偏转光上，引起偏转光发散。假设水平放置的X向声光偏转器5引起的发散角为Δθx，垂直放置的Y向声光偏转器4引起的发散角为Δθy，如图4a所示，则二维声光偏转器共同作用时的光发散角Δθz可以表示为Δθz=(Δθx)2+(Δθy)2---(4)]]>即二维声光偏转器空间色散量εz表示为ϵz=ΔθzΔλ---(5)]]>由于二维声光偏转器空间色散的影响，会引起出射光发散，进而导致光斑变形。假设入射光的光斑为圆形，则出射光斑会变为椭圆，如果两维二维声光偏转器同时作用，则不但会变为椭圆，而且光斑相对于X轴有一定的倾斜角，如图4b所示，其中λn＞…＞λ2＞λ1。倾斜角α为α=tan-1(ΔθyΔθx)---(6)]]>例如，飞秒激光器(Tis，Spectra-Physics)输出的脉冲激光(中心波长为800nm，带宽10nm)通过正交放置的两维二维声光偏转器(晶体材料为TeO2，声波频率范围78MHz～114MHz，声波在晶体中的传播速度650m/s)后，根据式2)、3)、4)、5)可以得到产生的空间色散量随着声波频率的改变在0.009722°/nm～0.01421°/nm之间变化，当两维二维声光偏转器都工作在声波中心频率96MHz时，空间色散量为0.01196°/nm，如图5所示。而由式6)可以得到光斑相对于X轴的倾斜角在34.37°～56.08°之间变化，当两维二维声光偏转器工作的声波频率相等时，倾斜角为45°。
为了解决两维二维声光偏转器色散的问题，本发明采用了一种色散元件——棱镜对色散进行补偿。棱镜对入射光有偏折的作用，如图6a所示，光以入射角I1进入棱镜1，出射光相对于入射光有一定的偏转角D，则棱镜1对超短脉冲光的发散角可以表示为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]即棱镜的空间色散量σ可表示为σ=ΔDΔλ---(7)]]>
其中A为棱镜的顶角，n(λ)为棱镜对波长为λ的光波的折射率，λ0为脉冲激光的中心波长，Δλ为带宽。图6a所示，假设入射光斑101为圆形，经过棱镜后光斑102变为椭圆，且光谱分布情况为λn＜…＜λ2＜λ1。
用单个棱镜补偿两维二维声光偏转器空间色散时，就是要使得棱镜产生的空间色散量与两维二维声光偏转器产生的空间色散量符号相反、数值相等。因此只需要令εz与σ的绝对值相等，即|εz|＝|σ|(8)将式5)、7)代入式8)，且令光入射棱镜的角I1为布儒斯特角，可求出所需三棱镜的顶角A。
例如，为了解决前面例子中二维声光偏转器的空间色散，过程如下因为前面计算得到的二维声光偏转器的空间色散量随着声波频率的改变在0.009722°/nm～0.01421°/nm之间变化，而棱镜只能补偿某个频率点的空间色散量。为了在二维声光偏转器的整个声波频率范围内都较好的补偿其空间色散，应该以中心声波频率处的色散量0.01196°/nm为准进行补偿，且棱镜相对于X轴倾斜角β＝45°。虽然这样做会使得高于声波中心频率时，色散欠补偿；而低于中心频率时，色散过补偿，但这是能做到的最好结果。
选定色散值较大的ZF4玻璃作为棱镜材料，其折射率与入射光波长关系可用如下关系式表示n2(λ)＝a0+a1λ2+a2λ-2+a3λ-4+a4λ-6+a5λ-8(9)其中n为折射率，λ为入射光波长，a0，a1，a2，a3，a4，a5为折射率常数。中心波长800nm，带宽10nm的飞秒脉冲激光以布儒斯特角入射时，棱镜顶角和空间色散补偿量的关系可以由式6)、9)计算得到，如图7a所示。而当棱镜顶角A＝64.74°时，能产生的空间色散补偿量为0.01104°/nm，和需要的补偿量(0.01196°/nm)基本相当。
如果没有顶角正好是64.74°的棱镜，还可以调节光入射棱镜的角度来调整空间色散补偿量。以顶角为60°的等边棱镜为例，如果光以布儒斯特角入射，空间色散补偿量仅有0.005809°/nm，大约只有所需补偿量的一半。但是如果改变光入射棱镜的角度，则能调节色散补偿量的大小，如图7b所示。当光入射角为47.5°时，空间色散量为0.01213°/nm，与所需的补偿量相近，因此可以根据补偿量的需要，来调节光入射棱镜的角度。
图9是棱镜补偿二维声光偏转器空间色散时，放置在二维声光偏转器之前或者之后的原理图。图中光斑101，103，104，105，106，107表示光路中各个位置处光斑的形状。
对于时间色散补偿，可以通过改变棱镜到二维声光偏转器中的第一个Y向声光偏转器4之间的光程长L来调节色散补偿量。
二维声光偏转器引入的材料色散GDDA为GDDA=λ32πc2dd2ndλ2|λ,---(10)]]>其中c为真空中的光速度，d为二维声光偏转器晶体的厚度， 为二维声光偏转器材料的二阶色散率。
而光进入棱镜时，引入的角色散GDDa为GDDa=-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2---(11)]]>其中L为棱镜到两维二维声光偏转器中第一个二维声光偏转器通光孔表面的光程。棱镜引起的材料色散GDDM为GDDM=λ32πC2(s/2)d2ndλ2|λ---(12)]]>其中，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1]]>h为光束直径，I1为光入射棱镜的角度。由式11)、12)求得棱镜引起的总色散GDDP为GDDP＝GDDa+GDDM(13)而为了使棱镜尽可能补偿二维声光偏转器的时间色散，应使得|GDDA+GDDp|最小，最好为0。因此我们可以根据这个来调节棱镜到第一个声光偏转器通光孔表面光程L来实现对时间色散补偿量的调节。
综上所述，在确定好棱镜的顶角A，棱镜放置的倾斜角度β后，可以调节光入射棱镜的角度I1来调节空间色散补偿量，同时还可以调节棱镜到二维声光偏转器的第一个声光偏转器的通光孔表面的光程长L来调节时间色散补偿量。
在二维声光偏转器之间可加入中继光路系统(如透镜)，且X向声光偏转器和Y向声光偏转器分别处于中继光路的物象共轭位置。
实例一根据图11所示实验系统，用等边三棱镜(顶角60°)进行了棱镜补偿二维声光偏转器空间色散实验。图8所示，棱镜倾斜45°放置，光入射棱镜的角度为47.5°，且棱镜到第一个声光偏转器4的通光孔表面的光程为20cm(以下实验中均是如此)。图11a所示，先让飞秒激光器6发出的单色光(800nm)通过二维声光偏转器后打到白屏8上，用CCD 7拍摄光斑形状。使得二维声光偏转器的声波频率在78MHz～114MHz之间快速等间隔变化，从而得到图13a所示光斑阵列图。此时因为是单色光入射，所以没有空间色散，不会导致光斑变形，因此图13a相当于原始光斑形状；如果飞秒激光器发出的是带宽为10nm的脉冲光，则得到的光斑阵列见图13b所示，光斑为倾斜椭圆，相比于12a图，空间色散的影响明显。当飞秒脉冲光通过图11b所示系统后，因为棱镜1对二维声光偏转器的空间色散起到了补偿作用，因此得到的光斑阵列如图13c所示，光斑又重新变为圆形，接近图13a所示没有空间色散的情形。
实施二将补偿系统应用于基于二维声光偏转器的多光子激发随机扫描显微镜中，如图12所示实验系统，飞秒激光器6发出的激光通过本发明装置进行二维扫描后，经过扫描透镜9、狭缝10、显微镜中的筒镜11、二色镜12、物镜13、到达样品14(若丹明6G标记的聚苯乙烯荧光小球)，多光子激发出的荧光用光电倍增管15探测，从而获取样品的多光子激发的荧光图像。
实验中，系统中先不加入补偿棱镜1，获取的荧光小球图像如图14a所示，由于二维声光偏转器的色散影响，小球荧光图像上有斜条纹，且比较模糊；然后在系统中加入棱镜以补偿二维声光偏转器的空间色散，获取的小球图像如图14b所示，由于二维声光偏转器的空间色散得到补偿，小球图像上的斜条纹变得不明显(或者说消失了)，且图像比较清晰；图14c是用奥林巴斯FY300共聚焦扫描显微镜获取的该样品的多光子激发荧光图像，由于该扫描显微镜中用的是振镜扫描，不存在空间色散，用该系统获取的图像可以作为一个参考，以比较基于二维声光偏转器的多光子激发扫描显微成像系统用棱镜补偿空间色散前后，图像质量的改善情况。
棱镜在补偿二维声光偏转器空间色散的同时，也能补偿时间色散。图15很好的说明了本发明也能有效补偿时间色散的这一特点，实验过程中棱镜到第一个声光偏转器通光孔表面的光程为20cm。图15a为飞秒激光器输出脉冲激光的原始脉宽，为84fs(标准偏差2fs)，图15b为二维声光偏转器(此时声波在中心频率处)引起超短脉冲光时间色散后，激光脉宽变为404fs(标准偏差5fs)，图15c为棱镜补偿二维声光偏转器(此时声波在中心频率处)时间色散后，激光脉宽减小为226fs(标准偏差5fs)。改变二维声光偏转器的工作频率(78MHz～114MHz)，不加补偿棱镜，输出脉宽在355fs～520fs之间变化；加上补偿棱镜后，输出光脉宽在207fs～267fs之间变化，时间色散平均减小了约200fs。
本发明可以直接应用于激光微加工领域。基于二维声光偏转器的激光扫描装置结合超短脉冲激光后用来进行微加工有很多优点，例如定位精确、可重复性高、速度快，但是声光偏转器对超短脉冲激光的空间色散会导致光斑变形，且降低扫描装置可分辨的光点数，使得微加工精度降低。而棱镜补偿二维声光偏转器空间色散后，能很好的校正光斑变形，提高空间分辨率，从而提高激光微加工的精度。
除了应用在多光子激发扫描显微镜中，本发明还可以应用于多次谐波激光扫描成像显微镜中。多次谐波成像也是一种非线性成像，需要用到超短脉冲激光，也可以利用二维声光偏转器控制激光束达到扫描样品的目的，因此也面临二维声光偏转器带来的色散问题，和多光子激发荧光成像类似。同样可以通过单个棱镜来补偿二维声光偏转器的色散。
总之，单个棱镜补偿二维声光偏转器色散的方法简单实用、效果明显，对于多光子激发扫描测量和成像、激光微加工等领域有重要的意义，特别适用于需要光斑在多个感兴趣的区域随机跳跃扫描的情况。
权利要求
1.一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置，包括由正交放置的X向声光偏转器和Y向声光偏转器构成的二维声光偏转器，其特征在于在二维声光偏转器之前或之后倾斜β度设置有顶角为A的三角棱镜(1)，其中β值满足(I)式要求，式中Δθy和Δθx分别为二维声光偏转器中第一个声光偏转器和第二个声光偏转器引起的光发散角β=tan-1(ΔθyΔθx)---(I)]]>顶角A满足(II)式要求，式中Δθz为二维声光偏转器引起的光发散角，n为棱镜对光的折射率，λ0为中心波长，Δλ为带宽，A为棱镜顶角，I1为光入射棱镜的角度|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.根据权利要求1所述的激光扫描装置，其特征在于三角棱镜(1)到二维声光偏转器的第一通光孔表面的光程为L，光程L满足(III)式要求，其中，λ为光波长，c为真空中的光速，θ为声光偏转器对光的偏转角，n为折射率，s=hsinA2sin[A+sin-1(sinI1n)]cosI1,]]>A为棱镜顶角，h为光束直径，I1为光入射棱镜的角度|-λ32πc2L(dθdn)2(dndλ)2+λ32πc2(s/2)d2ndλ2|λ+λ32πc2dd2ndλ2|λ|=0---(III).]]>
3.根据权利要求1或2所述的激光扫描装置，其特征在于三角棱镜(1)与二维声光偏转器之间设置有第一反射镜(2)和第二反射镜(3)，使激光导入二维声光偏转器的第一通光孔。
4.根据权利要求1或2所述的激光扫描装置，其特征在于β＝45°。
5.根据权利要求1或2所述的激光扫描装置，其特征在于二维声光偏转器之间设有透镜，且X向声光偏转器和Y向声光偏转器分别处于透镜的物象共轭位置。
全文摘要
本发明公开了一种基于二维声光偏转器的激光扫描装置。它包括由正交放置的X向声光偏转器和Y向声光偏转器构成的二维声光偏转器，在二维声光偏转器之前或之后倾斜β度设置有顶角为A的三角棱镜，三角棱镜与二维声光偏转器之间设置有第一反射镜和第二反射镜，使激光导入二维声光偏转器的第一通光孔。在声光偏转器对激光进行二维扫描时，既补偿了二维声光偏转器对超短脉冲光的空间色散，同时也补偿了二维声光偏转器的时间色散。这一装置结构紧凑、易于调节，适用于多光子激发扫描测量与成像，激光微加工等领域，特别适用于需要光斑在多个感兴趣的区域随机跳跃扫描的情况。
文档编号G02B26/10GK1749803SQ200510019130
公开日2006年3月22日 申请日期2005年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者曾绍群, 骆清铭, 占成, 吕晓华 申请人:华中科技大学