专利名称：一种透镜焦平面上聚焦光斑间相对位移扫描方法
技术领域：
本发明涉及一种透镜焦平面上聚焦光斑间的高分辨率、线性位移扫描方法。其特点是利 用透镜的面内运动控制其焦平面上的聚焦光斑的高分辨率、线性位移扫描。在光学测试与激 光精密加工领域具有重要应用价值。
背景技术：
现代科学研究和光学加工、测试中常常会遇到利用透镜聚焦多束光，在其焦平面上获得 聚焦小光斑，并控制其中一个光斑在其它光斑周围扫描，以探测其它光斑激发样品(位于焦 平面上)所产生的某种效应的空间分布。如半导体中激光点激发电子的输运测量，激光点加 热样品的温度分布测量等都涉及探测光点相对激发光点的位移扫描。传统的焦平面光斑扫描 方法是利用反射镜，控制入射激光束的方向，实现聚焦光斑在焦平面上的扫描。聚焦光斑在 焦平面上相对透镜主光轴与焦平面的交点(记为坐标原点0)的位移为〃 =/义"0 (f为透
镜焦距，e为入射光束与透镜主光轴之间的夹角)。通过扫描入射光束相对主光轴的倾斜角6>， 则可以实现该光束的聚焦光斑在焦平面上的扫描。然而，这种扫描方法存在五个主要缺点。 一是它的扫描角度与光斑的位移之间是非线性的，即扫描位移的非线性性。二是光斑位移扫 描的分辨率受旋转平台的角分辨率限制，不能达到纳米分辨率，例如目前的商业产品转台的 最好角分辨率在2/1000度左右，对f=20mm， 0.7，。三是入射光束方向扫描，使光束 方向偏离透镜主光轴，引起相关的象差，使聚焦光斑质量变差。四是扫描分辩率依赖于透镜 焦距f。五是光束角度扫描中，光程发生变化，不能实现激发光脉冲与探测脉冲之间的等时间 延迟下的空间分辨光斑扫描测量。因而，发明新的、克服上述五个缺点的焦平面光斑扫描方 法，具有重要应用价值。
发明内容
本发明克服了光束角度扫描实现焦平面上聚焦光斑位移扫描所存在的上述五个缺点，发 展了一种新的线性位移扫描方法。其关键是使透镜本身在面内扫描，而激光束方向保持不变， 总是与透镜主光轴平行，所以消除光束方向偏离主光轴引起的象差。由几何光学知识可知， 平行于透镜的主光轴入射的平行激光束将被聚焦在焦平面上主光轴通过的点(记为0)上。 当透镜在其自身平面内移动时，其焦平面位置不变，但其主光轴随透镜同歩运动，所以，通过 其聚焦的光斑在焦平面上也同步移动，移动量与透镜焦距无关。这种运动是一种线性移动， 可以将透镜固定在一维或二维线性平移台上，由计算机控制线性平移台移动，实现聚焦光斑 在焦平面上的一维或二维运动。而目前的商业制造的机械运动线性平移台的分辨率已可以达 到10rmm，使用压电陶瓷驱动的线性平移台分辨率更是高达埃的量级。所以，基于我们发明 的这种线性光斑扫描方法能够实现焦平面上的聚焦光斑的埃量级高分辨率线性扫描，同时聚 焦光斑免除了倾斜光线相关的象差。此外，这种扫描方式也不改变被聚焦激光束的光程长度。因而，消除了光束角度扫描所存在的上述五个缺点。
图1透镜焦平面上聚焦光斑间相对位移扫描方法原理图
图2 GaAs量子阱中泵浦光点注入电子自旋的扩散输运空间分布时间演化测试结果
图1中，l为激光束，激发位于焦平面上的样品(又称泵浦光)；2为另 一束比1弱的激
光束(又称探测光)，通常从1中分束产生。3为透镜5的主光轴；4为透镜6的主光轴；5 和6为同一个透镜切割成的两部分之一，两者仍位于同一平面内；7为透镜的焦平面；8为光
束1通过透镜5聚焦的光斑；9为光束2通过透镜6聚焦的光斑；IO为光电探测器，测量探
测光2透过样品(在焦平面7上)后的透射光强变化。
图2所示为飞秒脉冲激光光源通过标准的时间分辨泵浦-探测装置后，输出的泵浦光和探 测光射入图1所示的聚焦光斑扫描系统中。通过控制泵浦-探测装置中探测光脉冲相对于泵浦 光脉冲的不同延迟时间，并空间扫描图1中泵浦聚焦光斑8 (对应透镜5的面内运动)，使其 在过探测聚焦光斑9的直线上线性扫描，获得泵浦飞秒激光脉冲点注入电子自旋的空间输运 的时间演化结果。图2中，l为泵浦光点注入电子自旋，探测飞秒激光脉冲延迟10ps时测试 的电子自旋的空间分布；2为探测飞秒激光脉冲延迟30ps时测试的电子自旋的空间分布；3 为探测飞秒激光脉冲延迟50ps时测试的电子自旋的空间分布；4为探测飞秒激光脉冲延迟 80ps时测试的电子自旋的空间分布；5为探测飞秒激光脉冲延迟120ps时测试的电子自旋的 空间分布；6为探测飞秒激光脉冲延迟200ps时测试的电子自旋的空间分布。
具体实施例方式
本发明已具体实施。应用于GaAs量子阱中光点注入电子自旋的扩散输运的时间-空间分 辨演化测量。泵浦与探测飞秒光脉冲间的时间延迟量由光学延迟线控制，分辨率为0.067fs。 由于本发明中面内扫描透镜5，不改变泵浦与探测光脉冲之间的时间延迟，所以，只要控制 泵浦与探测光脉冲间的时间延迟到某一固定值，再空间扫描泵浦光聚焦透镜5 (对应聚焦光 斑8扫描)，即可获得泵浦光点注入的电子自旋，由于扩散输运，在不同延迟时间的电子自旋 的空间分布。如图2所示，显示出在延迟时间为10ps(曲线1)、 30ps(曲线2)、 50ps(曲线3)、 80ps(曲线4)、 120ps(曲线5)和200ps(曲线6)时的电子自旋的扩散和复合导致的空间分布。 利用电子自旋扩散输运的相关理论，通过对这一系列时间延迟电子自旋空间分布曲线的分析， 可以获得电子自旋的扩散系数为37. 5土15cm7s。这种固定时间延迟的电子自旋空间分布曲线， 是光束角度扫描法所不能获得的，因为光束角度扫描会改变光程长度，进而改变泵浦与探测 光之间的时间延迟量。本实例显示了本发明的优越性和应用前景。
权利要求
1、一种透镜焦平面上聚焦光斑间相对位移扫描方法，其特征是使用透镜面内位移扫描代替入射激光束的角度扫描，实现聚焦光斑在焦平面上的高分辨、线性扫描，而入射激光束总是保持与透镜主光轴平行；将聚焦透镜沿直径切割、一分为两个半透镜，但两个半透镜仍共面，其中一个半透镜固定在一或二维线性平移台上。入射的两束激光束分别通过两个半透镜聚焦在焦平面上；当平移台驱动固定在其上的半透镜作面内位移扫描时，实现了通过此半透镜聚焦在焦平面上的光斑相对通过另一半透镜聚焦的激光斑的扫描。
全文摘要
一种透镜焦平面上聚焦光斑间相对位移扫描方法，其特点是使用聚焦透镜的面内位移代替传统的光束角度扫描，实现焦平面上聚焦光斑的线性扫描。这种光斑扫描方法的分辨率仅由线性平移台的分辨率决定，而与聚焦透镜的焦距无关，能够达到埃量级；光斑扫描时，能够保持光束的光程不变；原理如上图所示，将聚焦透镜沿直径切割，一分为两个半透镜，但两半透镜仍共面。两束入射激光均与透镜主光轴平行，因而消除了光束倾斜引起的各种像差。两束激光分别通过两个切割分离的半透镜聚焦在焦平面上。其中一个半透镜固定在一或二维线性平移台上，由平移台控制其面内移动，从而实现通过该半透镜的激光束在焦平面上的聚焦光斑相对于通过另一半透镜聚焦光斑的扫描。应用于半导体中电子自旋输运的测试实例显示了本发明的有益效果。
文档编号G02B26/10GK101477247SQ20091003651
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者余华梁, 张秀敏, 赖天树 申请人:中山大学