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離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置的制作方法

文檔序號(hào):6038359閱讀:568來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及離軸拋物面鏡,特別是一種離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)
定裝置。
背景技術(shù)
離軸拋物面鏡,在理想情況下入射光嚴(yán)格平行于光軸時(shí),反射光聚焦于 焦點(diǎn),光束經(jīng)過(guò)反射聚焦后聚焦斑近似看作一理想點(diǎn),故稱點(diǎn)聚焦,其球差 為零,降低了光擾動(dòng),相比于透射式聚焦方式,可以消除色散以及強(qiáng)激光在 介質(zhì)中的自聚焦等不利現(xiàn)象,加上它對(duì)高強(qiáng)激光的耐用性,近年來(lái)已被廣泛 用于激光束的聚焦、偏轉(zhuǎn)光路中。特別是在飛秒強(qiáng)場(chǎng)激光物理實(shí)驗(yàn)中,由于 對(duì)激光點(diǎn)聚焦焦斑的高要求,需要獲得激光聚焦點(diǎn)焦斑的準(zhǔn)確而詳細(xì)的信息, 參見(jiàn)石鴻斌,程兆谷,許國(guó)良,蔣金波,李現(xiàn)勤,夏金安,激光束經(jīng)聚焦鏡
聚焦后光斑特性的研究,中國(guó)激光,2000.10。
常用于測(cè)量點(diǎn)聚焦焦斑的方法有兩種,分別是刀口法[參見(jiàn)HansRBilger, Taufiq Habib, Knife-edge scanning of an astigmatic Gaussian beam[J], Applied Optics, 24(5):686-690, 1985]和高分辨率長(zhǎng)焦距的顯微鏡系統(tǒng)。前者雖然簡(jiǎn)單、 直觀、靈敏度高,但只能測(cè)得焦斑直徑大小,無(wú)法獲得焦斑能量分布;后者 是利用焦斑在物體上的散射光來(lái)獲取焦斑信息,有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)困難、分 辨率低和成本偏高等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種離軸拋物 面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置,利用該裝置可直觀地檢測(cè)離軸拋物面鏡焦斑強(qiáng)度 二維分布信息,可獲得焦斑的三維圖像,該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、 分辨率高和成本較低的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下
一種離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置,特點(diǎn)是其構(gòu)成包括 一臺(tái)He-Ne
3激光器,沿該He-Ne激光出射激光束方向依次設(shè)置擴(kuò)束器、軟邊光闌和待測(cè) 的離軸拋物面鏡,在該離軸拋物面鏡的反射光束方向依次設(shè)置透射式標(biāo)準(zhǔn)叉 絲和顯微物鏡,該顯微物鏡位于所述的離軸拋物面鏡的焦點(diǎn),所述的焦點(diǎn)成 像于面陣CCD上,該面陣CCD的輸出端接計(jì)算機(jī),所述的離軸拋物面鏡固 定在一五維電動(dòng)調(diào)整架上。
在所述的顯微物鏡和所述的面陣CCD之間設(shè)置有反射鏡和衰減片。加入 反射鏡只是為了縮小裝置的尺寸。設(shè)置衰減片的目的是為了避免面陣CCD的 飽和。
利用所述的離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置測(cè)定離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦
能力的方法,包括下列步驟
① 按上述的離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置的光路設(shè)置各部件;
② 所述的離軸拋物面鏡固定在一五維電動(dòng)調(diào)整架上,通過(guò)電機(jī)控制該離 軸拋物面鏡的傾斜俯仰,以保證入射光束與出射光束處于同一水平面上;
③ 所述的顯微物鏡固定在光路上的平移臺(tái)上,以供所述的顯微物鏡沿光 路移動(dòng)調(diào)整,將所述的離軸拋物面鏡的反射光束的焦點(diǎn)在所述的面陣CCD上 獲得清晰的圖像;
④ 叉絲定標(biāo)開啟所述的He-Ne激光器、面陣CCD和計(jì)算機(jī),將所述的 標(biāo)準(zhǔn)叉絲放在所述的顯微物鏡之前,通過(guò)所述的顯微物鏡放大后也成像在所 述的面陣CCD上,通過(guò)計(jì)算機(jī)采集,獲得He-Ne激光對(duì)所述的標(biāo)準(zhǔn)叉絲定標(biāo) 圖像,假設(shè)30微米直徑的標(biāo)準(zhǔn)叉絲所占像素值為A,該標(biāo)準(zhǔn)叉絲與水平方向 成60° ;
⑤ 為了防止光束強(qiáng)度過(guò)大,避免所述的面陣CCD飽和,在所述的面陣 CCD和所述的顯微物鏡之間放置衰減片;
⑥ 焦斑信息獲取
所述的計(jì)算機(jī)采集所述的離軸拋物面鏡的焦斑強(qiáng)度二維分布,焦斑成像
在所述的面陣CCD上所占像素值為B,經(jīng)下式計(jì)算,即得出半高全寬的焦斑
直徑D為D-3(^B/A(微米);
⑦ 焦斑強(qiáng)度三維分布信息
沿所述的離軸拋物面鏡的反射光束前后移動(dòng)所述的顯微物鏡,計(jì)算機(jī)逐
一采集所述的面陣CCD上焦斑成像的二維強(qiáng)度分布矩陣,將不同焦深位置處的二維強(qiáng)度分布矩陣信息合成,獲得焦斑的三維圖像,即所述的離軸拋物面 鏡的點(diǎn)聚焦能力的三維信息。
一束He-Ne激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器后擴(kuò)展成為光束直徑跟激光光束同口徑大小,. 作為模擬光。由于此聚焦方式為反射式聚焦,故對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光,不存 在色散,模擬光聚焦能力即可反映離軸拋物面鏡對(duì)實(shí)際激光聚焦能力。
將模擬光通過(guò)軟邊光闌,由于光束的衍射效應(yīng)往往由硬邊光闌的邊緣而 形成的,為了使得最終聚焦光斑的衍射影響被減至最小,利用軟邊光鬧不僅 可以獲得橫截面光束質(zhì)量分布均勻的光斑,而且還可以消除擴(kuò)束器帶來(lái)的衍 射效應(yīng)等不良因素的影響。
當(dāng)He-Ne激光入射至離軸拋物面鏡時(shí),盡量保證光束沿著離軸拋物面鏡 的光軸方向入射,調(diào)整拋物面鏡的俯仰角度,使反射光束聚焦點(diǎn)與入射光軸 處在與水平面平行的同一平面內(nèi)。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果和特點(diǎn)是
1、 本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,成本較低; '
2、 能夠簡(jiǎn)便直觀地檢測(cè)離軸拋物面鏡焦斑強(qiáng)度二維分布信息,整個(gè)裝置 所占體積??;
3、 本實(shí)用新型測(cè)定方法較為靈敏,分辨率高,可優(yōu)于0.2微米,焦斑尺 寸易于定量化,使用更高倍顯微物鏡,即可提高系統(tǒng)分辨率;
4、 沿反射光軸前后移動(dòng)顯微物鏡,根據(jù)CCD上焦斑成像變化,可測(cè)出焦 深,通過(guò)不同焦深位置處的二維強(qiáng)度分布矩陣信息的合成,可獲得焦 斑的三維圖像,此法相對(duì)其它方法有操作簡(jiǎn)單之優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本實(shí)用新型離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置實(shí)施例的光路示意 圖。
圖2是本實(shí)用新型He-Ne激光叉絲成像定標(biāo)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型He-Ne激光焦斑二維強(qiáng)度分布成像圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明,但不應(yīng)以此限制本 實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1,圖l.是本實(shí)用新型離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置實(shí)施 例的光路示意圖。由圖可見(jiàn),本實(shí)用新型實(shí)施例離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)
定裝置,其構(gòu)成包括 一臺(tái)He-Ne激光器l,沿該He-Ne激光1出射激 光束方向依次設(shè)置擴(kuò)束器2、軟邊光闌3和待測(cè)的離軸拋物面鏡4,在該 離軸拋物面鏡4的反射光束方向依次設(shè)置有一標(biāo)準(zhǔn)叉絲7、顯微物鏡6 和反射鏡5,該顯微物鏡6位于所述的離軸拋物面鏡4的反射光束焦點(diǎn), 所述的焦點(diǎn)通過(guò)顯微物鏡6、反射鏡5和衰減片8成像于面陣CCD9上, 該面陣CCD9的輸出端接計(jì)算機(jī)10,所述的離軸拋物面鏡4固定在一五 維電動(dòng)調(diào)整架上。
利用上述的離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置測(cè)定離軸拋物面鏡點(diǎn) 聚焦能力的方法,包括下列步驟
① 按所述的離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置光路設(shè)置各部件;
② 所述的離軸拋物面鏡4固定在一五維電動(dòng)調(diào)整架上,通過(guò)電機(jī)控 制該離軸拋物面鏡4的傾斜俯仰,以保證入射光束與出射光束處于同一 水平面上;
③ 所述的顯微物鏡6固定在光路上的平移臺(tái)上,以供所述的顯微物 鏡6沿光路移動(dòng)調(diào)整,將所述的離軸拋物面鏡4的反射光束的焦點(diǎn)在所 述的面陣CCD9上獲得清晰的圖像;
④ 叉絲定標(biāo)開啟所述的He-Ne激光器1、面陣CCD9和計(jì)算機(jī)10, 將所述的標(biāo)準(zhǔn)叉絲7放在所述的顯微物鏡6之前,通過(guò)所述的顯微物鏡6 放大后也成像在所述的面陣CCD9上,通過(guò)計(jì)算機(jī)10采集,獲得He-Ne激 光對(duì)所述的標(biāo)準(zhǔn)叉絲7定標(biāo)圖像,假設(shè)30微米直徑的標(biāo)準(zhǔn)叉絲7所占像素 值為A,叉絲與水平方向成60。;
⑤ 為了防止光束強(qiáng)度過(guò)大,避免所述的面陣CCD9飽和,在所述的面陣 CCD9和所述的顯微物鏡6之間放置衰減片8;
⑥ 焦斑信息獲取計(jì)算機(jī)10采集所述的離軸拋物面鏡4的焦斑強(qiáng)度二維分布,焦斑成像
在所述的面陣CCD9上所占像素值為B,計(jì)算機(jī)10經(jīng)下式計(jì)算,即得出半高 全寬的焦斑直徑D為D二3(^B/A(微米);
⑦焦斑強(qiáng)度三維分布信息
沿所述的離軸拋物面鏡4的反射光束前后移動(dòng)所述的顯微物鏡6,計(jì)算 機(jī)10逐一采集所述的面陣CCD9上焦斑成像的二維強(qiáng)度分布矩陣,將不同 焦深位置處的二維強(qiáng)度分布矩陣信息合成,獲得焦斑的三維圖像,即所述的 離軸拋物面鏡4的點(diǎn)聚焦能力的三維信息。
利用本實(shí)用新型測(cè)量激光靶室的離軸拋物面鏡的點(diǎn)聚焦能力的過(guò)程 如下
1、擴(kuò)束
如圖1,將一束He-Ne激光1經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器2后擴(kuò)展成為直徑為50毫 米光束,作為打靶激光模擬光。由于此聚焦方式為反射式聚焦,故對(duì)于不 同波長(zhǎng)的激光,不存在色散,模擬光焦斑的大小即反映了實(shí)際激光焦斑的大小。
2、 限孔
由于光束的衍射效應(yīng)往往由硬邊光闌的邊緣而造成,為了減小衍射對(duì)焦
斑的影響,將擴(kuò)束器2出射后模擬光通過(guò)軟邊光闌3,不僅可以使光束橫截面 的強(qiáng)度分布均勻,而且還可以消除擴(kuò)束器和硬邊光闌所帶來(lái)的衍射效應(yīng)的影 響。
3、 調(diào)節(jié),準(zhǔn)直
保證模擬光束沿著聚焦鏡的光軸方向入射至離軸拋物面鏡4,調(diào)整拋物面 鏡4的俯仰角度,使經(jīng)該離軸拋物面鏡4的反射光束的聚焦點(diǎn)與入射光軸處 在與水平面平行的同一平面內(nèi),入射光束和反射光束夾角等于離軸拋物面鏡 離軸角;
4、 叉絲定標(biāo)
在焦點(diǎn)后放置顯微物鏡6并對(duì)準(zhǔn)反射聚焦光束,確保反射聚焦光束能夠正
7入射至該顯微物鏡6,沿著反射光路調(diào)節(jié)該顯微物鏡6的前后位置,使經(jīng)該顯
微物鏡6放大后的焦斑成像在所述的CCD 9上,然后將一直徑為30微米的標(biāo) 準(zhǔn)叉絲7放置所述的顯微物鏡6前,通過(guò)顯微物鏡放大后也成像在CCD9上, 定標(biāo)。為了防止光束強(qiáng)度過(guò)大使得CCD飽和,在其前放置一衰減片8,通過(guò) 計(jì)算機(jī)采集,獲得He-Ne激光標(biāo)準(zhǔn)叉絲7成像定標(biāo)示意圖2,其中陰影區(qū)域?yàn)?叉絲成像區(qū)域;
5、焦斑信息獲取
計(jì)算機(jī)10對(duì)所采集的焦斑強(qiáng)度二維分布圖3以及定標(biāo)示意圖2進(jìn)行對(duì)比, 即可獲得焦斑的尺寸及強(qiáng)度分布信息。其中水平軸表示CCD上像素值。
假設(shè)30微米直徑的標(biāo)準(zhǔn)叉絲在圖2中所占像素值為A (叉絲與水平方向 成60° ),焦斑成像在圖像3上的所占像素值為B,則立即可以得出焦斑直徑 (半高全寬)D為D二3(^B/A(微米)
如圖2和圖3所示為實(shí)驗(yàn)中所得實(shí)際值,A-668像素,B-267像素,則 D42微米,即所述的離軸拋物面鏡對(duì)He-Ne激光的點(diǎn)聚焦焦斑直徑為12微 米。
本實(shí)用新型裝置的橫向分辨率0.61*X/NA
其中X是聚焦光束波長(zhǎng),NA是顯微物鏡的數(shù)值孔徑,已知可見(jiàn)光激光波 長(zhǎng)為800納米(1納米=10—9米), 一般20倍顯微物鏡數(shù)值孔徑NA為0.4,簡(jiǎn) 單計(jì)算可得在上述條件下,對(duì)于實(shí)驗(yàn)中實(shí)際所用激光,不煩惱實(shí)施例的橫向 分辨率約為1.22微米;
本實(shí)用新型裝置的縱向分辨率為2*X/NA2,計(jì)算所得為10微米。 焦斑強(qiáng)度三維分布信息,通過(guò)把計(jì)算機(jī)10采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Matlab計(jì)^ 軟件中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理,可得出點(diǎn)聚焦焦斑強(qiáng)度三維分布偽彩圖,該彩圖即反 映所述的離軸拋物面反射鏡的點(diǎn)聚焦能力的三維信息。
權(quán)利要求1、一種離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置,特征在于其構(gòu)成包括一臺(tái)He-Ne激光器(1),沿該He-Ne激光(1)出射激光束方向依次設(shè)置擴(kuò)束器(2)、軟邊光闌(3)和待測(cè)的離軸拋物面鏡(4),在該離軸拋物面鏡(4)的反射光束方向依次設(shè)置有一透射式標(biāo)準(zhǔn)叉絲(7)和顯微物鏡(6),該顯微物鏡(6)位于所述的離軸拋物面鏡(4)的焦點(diǎn),所述的焦點(diǎn)成像于面陣CCD(9)上,該面陣CCD(9)的輸出端接計(jì)算機(jī)(10),所述的離軸拋物面鏡(4)固定在一五維電動(dòng)調(diào)整架上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置,其特 征在于在所述的顯微物鏡(6)和所述的面陣CCD (9)之間設(shè)置有反射 鏡(5)和衰減片(8)。
專利摘要一種離軸拋物面鏡點(diǎn)聚焦能力測(cè)定裝置,其構(gòu)成包括一臺(tái)He-Ne激光器,沿該He-Ne激光出射激光束方向依次設(shè)置擴(kuò)束器、軟邊光闌和待測(cè)的離軸拋物面鏡,在該離軸拋物面鏡的反射光束方向依次設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)叉絲和顯微物鏡,該顯微物鏡位于所述的離軸拋物面鏡的焦點(diǎn),所述的焦點(diǎn)成像于面陣CCD上,該面陣CCD的輸出端接計(jì)算機(jī),所述的離軸拋物面鏡固定在一五維電動(dòng)調(diào)整架上。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)方便、分辨率高的特點(diǎn),不僅可以獲得離軸拋物面鏡焦斑大小尺寸,可以得到焦斑強(qiáng)度二維分布信息,而且可獲得焦斑的三維圖像信息。
文檔編號(hào)G01M11/02GK201255688SQ20082015087
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者麗 劉, 劉建勝, 夏長(zhǎng)權(quán), 李儒新, 王文濤, 懿 蔡, 璞 鄒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
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