一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置及方法

技术领域

本发明属于超精密光学测量领域，尤其涉及一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置及方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展，光学系统的精度要求也在不断地提高，由各种因素综合叠加引起的光束指向漂移问题，逐渐成为激光技术朝高精密发展的阻碍，其中包括平移漂移，角度漂移和随机漂移，并且光束最终的漂移效果是上述所有因素的叠加效果。引起光束漂移的因素复杂且繁多，如外界机械的漂移、系统内空气的扰动、环境温度的变化、光源本身的漂移等。为了提高光束的稳定性，一般将光学系统放置于相对理想的环境，如利用光学平台进行被动减震，减弱外界振动的影响。或通过整体进行温湿度控制，降低温度变化引起的误差，以及采用空间密闭的方式减少气流与灰尘的影响等。然而，一方面高精密的环境控制成本非常高，另一方面由于目前各领域技术的发展都已经接近极限，之前可忽略的微小漂移逐渐阻碍了各技术领域的进一步发展，单纯的环境控制也难以满足需求，光束的漂移成为急需解决的问题。

为了解决光束漂移的问题，国内外学者提出了诸多光束稳定方法。最常用的检测方法是透镜与位置探测器的组合，其利用透镜聚焦效应将角度信息转换成位置信息进行测量，并且由于位置漂移聚焦于同一点，去除了位置漂移的影响；其次，可利用望远镜系统进行角放大进行测量，但根据亥姆霍兹公式，角放大的同时，光束将以相同倍数缩小，影响测量精度的提高，并且该方法对能量分布的影响也较大，含有难以克服的系统误差；此外，也有学者利用了激光的干涉效应，将入射光束的角度变化转换为光栅条纹位置的变化，但是该方法只能测量一个维度的角度漂移信息，在光束角度漂移检测中需要运用两套方向垂直的系统进行检测，并且该方案只测量了两个条纹来判断周期变化，容易受到外界干扰的影响。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置，入射光束经第一压电反射镜架、第二压电反射镜架上的反射镜再经过依次布置的第一透镜、针孔和第二透镜进行滤波，然后一部分光束经第一固定反射镜架上的反射镜透射至能量探测PD上，一部分光束经第二固定反射镜架上的反射镜出射至位置探测CCD的探测面上；通过调整第一压电反射镜架使能量探测PD上的光强保持最大值，以矫正光束位置漂移量；通过调整第二固定反射镜架使位置探测CCD的光斑形心坐标与初始光斑形心坐标相同，实现光束漂移矫正。

进一步地，所述第一透镜和第二透镜的焦距相同。

进一步地，所述第一透镜和第二透镜选用焦距为30mm的透镜。

进一步地，所述第一压电反射镜架和第二压电反射镜架上所安装的反射镜片采用反射率99 %，透过率1%的反射镜。

进一步地，所述针孔的直径为35μm。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正方法，应用于上述的带有滤波功能的光束漂移矫正装置，所述方法包括以下步骤：

S1，对光束进行校准：使光束垂直入射针孔，并使光束束腰位置经过针孔的中心，记录此时能量探测PD上的光强为光强最大值Imax，位置探测CCD上的光斑形心坐标的初始值为（X0,Y0）；

S2，当光束发生漂移时，调节第一压电反射镜架的X轴和Y轴，使光束束腰位置经过针孔的中心，保持能量探测PD上的光强处于光强最大值Imax点。

进一步地，所述步骤S2还包括：

读出位置探测CCD上的光斑形心坐标（X,Y），计算光斑形心坐标（X,Y）与初始光斑形心坐标（X0,Y0）的差值，调节第二压电反射镜架的X轴和Y轴以改变差值，同时调节第一压电反射镜架使能量探测器PD的光强始终保持光强最大值Imax，直至光斑形心坐标（X,Y）与初始光斑形心坐标（X0,Y0）相等，完成漂移矫正。

进一步地，调节第一压电反射镜架的X轴和Y轴的过程包括：

获取能量探测PD上的实时光强I，自定义设置光强阈值；

设置压电增量δ，调节第一压电反射镜架在X轴方向的移动量和第一压电反射镜架在Y轴方向的移动量，使得光强最大值Imax与实时光强I的差值小于光强阈值。

进一步地，调节第二压电反射镜架的X轴包括：

获取实时光斑形心横坐标X，自定义设置光斑形心横坐标阈值；

设置压电增量δ，调节第二压电反射镜架在X轴方向的移动量，使实时光斑形心横坐标X与初始光斑形心横坐标X0小于光斑形心横坐标阈值；

调节第二压电反射镜架的Y轴的过程包括；

获取实时光斑形心纵坐标Y，自定义设置光斑形心纵坐标阈值；

设置压电增量δ，调节第二压电反射镜架在Y轴方向的移动量，使实时光斑形心纵坐标Y与初始光斑形心纵坐标Y0小于光斑形心纵坐标阈值。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置在超分辨显微成像设备、高精度激光直写光刻设备中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明公开了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置，将第一压电反射镜架、第二压电反射镜架上的反射镜作为对光束矫正的执行器，通过调整第一压电反射镜架使能量探测PD上的光强保持最大值，以矫正光束位置漂移量，通过调整第二固定反射镜架使位置探测CCD的光斑形心坐标与初始光斑形心坐标相同，实现光束漂移矫正，本发明装置改善光束漂移矫正的范围和功能，同时提高光束质量，消除防漂移系统对外围系统光路走向的影响。

同时，本发明装置不仅可以完成光束大范围位置漂移和角度漂移矫正，还可以通过第一透镜、针孔，第一透镜组成的小孔滤波器进行滤波，提供光束质量，为高精密光学系统中光束的实时校正提供技术支持。

并且，本发明装置对外围系统光路没有要求，且不会影响光路走向，可以广泛用于超分辨显微成像、高精度激光直写光刻等高精密激光技术中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置的原理示意图；

图2是本发明能量探测PD上光强随偏移量变化的示意图；

图3是本发明位置探测CCD光斑形心坐标的示意图；

图4是光束束腰位置在针孔中心时光束角度漂移状态示意图；

图5是第一压电反射镜架X轴和Y轴的矫正流程框图；

图6是第二压电反射镜架X轴的矫正流程框图；

图7是第二压电反射镜架Y轴的矫正流程框图。

图中，1-第一压电反射镜架，2-第二压电反射镜架，3-第一透镜，4-针孔，5-第二透镜，6-第一固定反射镜架，7-能量探测PD，8-第二固定反射镜架，9-位置探测CCD。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置，如图1所示，本发明装置包括两个压电反射镜架、两个等焦距透镜，针孔、两个固定反射镜架，能量探测PD，位置探测CCD等部件。入射光束首先经过两个压电反射镜架，再经过由两个等焦距透镜及一个针孔组成的滤波器进行滤波，之后经过两个固定反射镜镜架，其中一部分光分别透射到能量探测PD和位置探测CCD上。用第一个压电反射镜架使能量探测PD上的光强保持最大值，矫正了光束位置漂移量，使光束束腰位置始终通过小孔中心，同时结合位置探测CCD的光斑形心坐标，用第二个压电反射镜架矫正此时的角度漂移量。

具体地，所述装置包括第一压电反射镜架1、第二压电反射镜架2、第一透镜3、针孔4、第二透镜5、第一固定反射镜架6、能量探测PD7、第二固定反射镜架8和位置探测CCD9。所述第一压电反射镜架1、第二压电反射镜架2、第一固定反射镜架6和第二固定反射镜架8上均安装有反射镜。

在本实例中，所述第一压电反射镜架1和第二压电反射镜架2所用的反射镜片采用反射率99 %，透过率1%的反射镜。所述第一透镜3和第二透镜5选用焦距为30mm的透镜，针孔4的直径为35μm。

本实例中采用1mm光束直径、517nm波长飞秒激光器作为入射光源，入射光束首先入射到装置内，经过第一压电反射镜架1、第二压电反射镜架2上的反射镜，用作对光束矫正的执行器；之后经过第一透镜3、针孔4，第二透镜5组成的小孔滤波器，用于提高光束质量，其中第一透镜3将光束聚焦，使光束束腰位置在针孔4处，第一透镜5将焦距光束再次转换为平行光束；然后经过第一固定反射镜架6上的反射镜，其中1%的光束投射到能量探测PD7的探测面上，用于检测光束的光强变化，最后经过第二固定反射镜架8上的反射镜出射到装置外，其中1%的光束透射到位置探测CCD9的探测面上，用于检测光束的角度漂移量。

本发明实施例提供了一种带有滤波功能的光束漂移矫正方法，应用于上述的带有滤波功能的光束漂移矫正装置，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，首先对光束进行校准：使入射光束垂直入射针孔4，并使光束束腰位置经过针孔4的中心，记录此时能量探测PD7上的光强为光强最大值Imax，记录此时位置探测CCD9上的光斑形心坐标为（X0,Y0），如图3所示。

步骤S2，当光束发生漂移时，首先调节第一压电反射镜架1的X轴和Y轴，使光束束腰位置经过针孔4中心，此时能量探测PD7上的光强处于最大值Imax点，如图2所示，其中横轴代表偏离小孔中心的偏离量，纵轴代表光强。

但此时光束仍可能存在角度漂移，光束状态如图4中的（2）~图4中的（3）所示，此时光束束腰位置在针孔中心但是存在一定角度漂移，读出此时位置探测CCD9上的光斑形心坐标（X,Y），计算其与初始光斑形心坐标（X0,Y0）的差值，调节第二压电反射镜架2的X轴和Y轴以改变差值，同时调节第一压电反射镜架1使能量探测器PD7的光强始终保持Imax，多次迭代耦合直至光斑形心坐标（X,Y）与初始光斑形心坐标（X0,Y0）相等，即完成漂移矫正。完成漂移矫正后的光束状态如图4中的（1）所示，光束束腰位置在针孔中心且没有角度漂移。

进一步地，关于本实例中调节第一压电反射镜架1和第二压电反射镜架2的X轴和Y轴的流程框图如图5-图7所示。

如图5所示，调节第一压电反射镜架X轴和Y轴的过程包括；

获取能量探测PD7上的实时光强I，自定义设置光强阈值；

判断能量探测PD7上的光强最大值Imax与实时光强I的差值是否大于光强阈值；

设置压电增量δ，调节第一压电反射镜架在X轴方向的移动量ax

如图6所示，调节第二压电反射镜架X轴的过程包括；

获取实时光斑形心横坐标X，自定义设置光斑形心横坐标阈值；

设置压电增量δ，调节第二压电反射镜架在X轴方向的移动量bx

如图7所示，调节第二压电反射镜架Y轴的过程包括；

获取实时光斑形心纵坐标Y，自定义设置光斑形心纵坐标阈值；

设置压电增量δ，调节第二压电反射镜架在Y轴方向的移动量为by

需要说明的是，压电增量δ可根据与设定阈值的偏差值大小进行细分，偏差值越小，

综上所述，本发明公开了一种带有滤波功能的光束漂移矫正装置，将第一压电反射镜架、第二压电反射镜架上的反射镜作为对光束矫正的执行器，通过调整第一压电反射镜架使能量探测PD上的光强保持最大值，以矫正光束位置漂移量，通过调整第二固定反射镜架使位置探测CCD的光斑形心坐标与初始光斑形心坐标相同，实现光束漂移矫正，本发明装置改善光束漂移矫正的范围和功能，同时提高光束质量，消除防漂移系统对外围系统光路走向的影响。

同时，本发明装置不仅可以完成光束大范围位置漂移和角度漂移矫正，还可以通过第一透镜、针孔，第一透镜组成的小孔滤波器进行滤波，提供光束质量，为高精密光学系统中光束的实时校正提供技术支持。

并且，本发明装置对外围系统光路没有要求，且不会影响光路走向，可以广泛用于超分辨显微成像、高精度激光直写光刻等高精密激光技术中。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。