基于二次谐波的定位激光聚焦点的方法和光路系统与流程

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种基于二次谐波的定位激光聚焦点的方法和光路系统。

背景技术：

利用聚焦后的高能量密度激光束与材料的相互作用，可以实现对材料的各种加工，如切割、打孔、划片、焊接、热处理等。对于透明材料，飞秒激光可以在其表面加工出各种微小功能结构，如微透镜阵列、菲涅尔波片、人工仿生复眼等，在二元光学，人工仿生，汽车能源等领域应用广泛。但飞秒激光加工透明材料表面功能结构时，激光聚焦点必须精确的控制在样品表面。若聚焦点远离样品表面，则无法加工表面结构；若聚焦点进入样品内部，同样无法实现样品表面材料的去除。因此，精确的定位激光聚焦点与样品的相对位置，在激光加工领域是一项重要的技术难题。

现今常用的定位激光聚焦点的方法是采用摄像头(如电荷耦合器件ccd)配合显微光路从加工光路垂直方向观测激光聚焦点与样品的相对位置。然而，该方法需要精准地调节显微光路，且观测近红外的飞秒激光束需要昂贵的红外ccd。如何实现精确定位而不增加操作复杂性和系统成本，依旧是一个值得研究的课题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中定位激光聚焦点的方法需要精准地调节显微光路，且观测近红外的飞秒激光束需要昂贵的红外ccd，导致系统的操作复杂性和成本偏高的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于二次谐波的定位激光聚焦点的方法，包括：

步骤一、搭建光路系统，对激光束聚焦，捕获聚焦激光与样品相互作用产生的二次谐波信号；步骤二、将样品沿光路方向移动δx的距离，实时检测并记录样品发出的二次谐波信号强度t2；步骤三、改变δx的值，作出二次谐波信号强度t2与样品位移δx的变化曲线图；步骤四、根据t2值的变化趋势，反推激光聚焦点与样品的相对位置，实现激光聚焦点的定位，其中t2-δx的变化曲线图的峰值能量掉落处即为激光聚焦点正好接触所述样品表面的位置。

由于二次谐波的信号强度与激光聚焦点和样品的相对位置密切相关。当激光聚焦点远离样品时，谐波信号较弱。当聚焦点靠近样品表面，谐波信号不断增强，且在样品表面处时，谐波信号会达到峰值。而当聚焦点正好埋在样品表面时，由于表面等离子体的产生，大量二次谐波会沿着样品表面传播，而与入射激光一致方向的二次谐波则会锐减。当激光聚焦点更进一步的进入样品内部时，样品表面的等离子体减少，因此二次谐波会逐渐回归至同轴方向，因此其同轴方向的强度逐渐上升，本方法正是利用了二次谐波在样品表面的突变，来定位激光聚焦点的相对位置的。

本发明还提供了一种基于二次谐波的定位激光聚焦点的光路系统，包括依次设置的激光发射装置、第一物镜、第二物镜、低通滤波片、聚焦镜和探测器，样品设置在所述第一物镜和所述第二物镜之间。

所述激光发射装置用于产生激光束，所述第一物镜将入射的激光束聚焦在所述样品上，从而加工样品材料，制造表面结构，且提高激光的功率密度从而在样品作用区域产生二次谐波信号。二次谐波效应是高功率密度激光与非中心对称的晶体产生的一种非线性效应，它需要激光的功率密度达到一定的数量级，从而可以在样品处发出另一种波长的光束，成为二次谐波，其波长正好是原始入射的激光波长的一半，所述样品产生的二次谐波与入射的激光束同时被所述第二物镜收集，并汇集至所述低通滤波片，所述低通滤波片将波长较大的激光束去除，而将波长较小的二次谐波保留通过，所述聚焦镜用于将二次谐波汇聚至所述探测器，通过所述探测器检测并记录二次谐波的信号强度t2。

进一步地，所述光路系统还包括起偏器和检偏器，所述起偏器设置在所述激光发射装置和所述第一物镜之间，用于将入射的激光束变为预设偏振方向的激光束，所述检偏器设置在所述低通滤波片和所述聚焦镜之间，将滤波后的二次谐波变为预设偏振方向的二次谐波，保证同一方向偏振的二次谐波被探测器接收，有效地提高信噪比。

进一步地，所述第一物镜和第二物镜之间还设置有一直线位移台，所述直线位移台能沿光路方向移动，所述样品放置在所述直线位移台上，因此定位激光聚焦点的精度由直线位移台的最小位移控制。优选地，所述直线位移台的移动精度为0.1mm，因此定位激光聚焦点的精度为0.1mm。

进一步地，所述样品为非中心对称晶体。当高能量密度的激光束与非中心对称的晶体材料作用时，会产生明显的非线性二次谐波信号，而本发明正是通过检测二次谐波信号的强度进行定位的。

进一步地，所述激光发射装置产生的激光束为近红外光，产生的二次谐波波长在可见光范围内。所述低通滤波片的截止波长小于近红外光的波长，大于产生的二次谐波波长，因而低通滤波片能将波长较大的原始入射激光束去除，而将波长较小的二次谐波保留通过，以去除初始激光束的干扰，使得探测器仅仅捕获二次谐波信号，提高检测和定位的精准度。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的定位激光聚焦点的方法和光路系统，利用聚焦激光与样品材料发生的非线性效应，仅需采用普通ccd观测产生的二次谐波信号，通过二次谐波信号强度的变化来定位激光聚焦点的相对位置，从而实现飞秒激光精准加工制造样品表面结构，与激光加工光路完全兼容，且降低了系统的操作复杂性和成本，在激光精密制造领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的光路系统示意图；

图2为激光聚焦点固定时的二次谐波信号强度与样品位置的变化关系曲线图；

图3为a处对应样品位置时激光划线的显微镜图片；

图4为b处对应样品位置时激光划线的显微镜图片；

图5为c处对应样品位置时激光划线的显微镜图片。

【附图标记说明】

1-起偏器；2-第一物镜；3-样品；4-第二物镜；5-低通滤波片；6-检偏器；7-聚焦镜；8-探测器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面通过定位1026nm飞秒激光聚焦点与硫化锌晶体的相对位置这个实施例来具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，将一块1mm厚度的硫化锌晶体(非中心对称晶体)作为样品3放置并固定在移动平台上，以波长为1026nm的飞秒激光作为入射激光束传输进入光路系统中。

入射激光束通过起偏器1后变为预设偏振方向的激光束，再通过第一物镜2聚集在样品3处，其中第一物镜和第二物镜均选择20倍物镜，第二物镜4起收集光束作用，将入射激光束和产生的二次谐波转换为平行光束，传输到后续光路系统中，其中第一物镜2和第二物镜4的焦点重合。

平行光束经过低通滤波片5，其截止波长为860nm。这样使1026nm的入射激光束无法通过，而硫化锌样品3产生的513nm二次谐波可以有效通过。

滤波后的二次谐波由检偏器6进一步地偏振，形成预设偏振方向的二次谐波，最终由聚焦镜7汇集至探测器8内。

定位过程如下，首先将样品3初始位置定为激光聚焦点的右方。移动并记录样品3的位置δx，同时检测二次谐波光强t2。

如图2所示，将t2及对应δx的值画成变化曲线，从图2中可以看到，随着样品3与激光聚焦点越来越近，二次谐波信号越强。在曲线最高峰位置，激光聚焦点紧靠样品3表面，且刚好进入表面以内时，信号强度骤然下降到极小值。随后当聚焦点逐渐深入样品3内部，信号强度逐渐增强。从图3-图5三张不同位置的样品3表面显微镜图片可以证实，聚焦点首先没接触样品3(图3)，随后处于样品3表面(图4)，最后深入了样品3内部(图5)。因此，可以通过t2-δx曲线，获知激光聚焦点与样品3的相对位置，并通过直线位移台调整样品3的δx值，使得激光聚焦点正好位于样品3表面，完成激光聚焦点的定位。

另外，本实例中的直线位移台最小移动单位是0.1mm，则该方法的定位精度为0.1mm。

综上所述，本发明提出一种基于二次谐波的定位激光聚焦点的方法和光路系统，并以飞秒激光加工硫化锌晶体为例，验证了本发明的可行性。本发明可实现飞秒激光精准加工制造样品表面结构，与激光加工光路完全兼容，且降低了系统的操作复杂性和成本，在激光精密制造领域具有广泛的应用前景。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。