一种基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置

1.本发明属于超精密光学成像与刻写领域，尤其涉及一种基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置。


背景技术：

2.随着激光技术极限能力的不断被突破，光学系统的精度要求也在不断地提高，所以激光技术在被广泛运用的同时，也面临了新的难题——光束漂移问题。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、光源本身的漂移等都会导致光束在空间位置与角度指向的不规则微小移动。并且，光束最终的漂移效果是上述所有因素的叠加效果。为了让系统能够达到理想的效果，一般采用创建一个相对理想的环境，如利用光学平台进行被动减震，减弱外界振动的影响；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。
3.光束的漂移包含了两个部分：位置与角度漂移。位置漂移指光束在垂直于传播轴的水平与垂直方向运动，角度漂移指光束相对于其先前轴的转动。光束指向稳定控制技术是一种可以主动修正光束位置和角度漂移的技术，其核心思想是通过高精度地检测光斑位置与角度的漂移信号，之后根据信号漂移量，利用控制器件进行实时地进行修正。相对于位置漂移，角度漂移对光学系统更为致命。如对于激光直写或超分辨成像系统，光束入射到物镜入瞳后聚焦于焦平面，位置的微小漂移对于焦点位置的变化影响不大，而角度的漂移则会引起焦点位置的大幅漂移。
4.目前的研究在高精度角度检测与光束漂移高速校正上都取得了丰富的研究成果，相关技术也已运用于激光通信、光测量、激光直写等多个领域。然而，随着极限能力的不断被突破，特别是精密光学系统性能的不断提升，目前的光束稳定系统难以面对这些需求，仍然存在以下不足：1.长时间工作下稳定精度的不足。目前快速反射镜的驱动元件主要是音圈电机驱动器与压电陶瓷驱动器，两者都是通过机械的方式调整反射镜的角度，难以修正由于机械惯性引起的误差。2.稳定控制频率不足。目前基于音圈电机、压电陶瓷、空气楔等的光束稳定系统，其控制带宽往往在1khz以下，并且综合探测器响应时间与算法控制时间，整体的稳定控制频率在100hz以下。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置，包括第一反射棱镜、中空回射器、第一纳米移动台、第二纳米移动台、第一棱
镜、第二棱镜、第一光束偏转器、第二光束偏转器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一透镜、第一光电感应器、第二透镜、第二反射镜、第三透镜、第二光电感应器和控制器；其中，所述中空回射器固定于所述第一纳米移动台与第二纳米移动台上；所述第一棱镜与所述第二棱镜相互垂直，分别用于沿入射光束x与y方向对其进行角度偏转，光束偏转角度等于所述第一光束偏转器与所述第二光束偏转器的布拉格衍射角度；所述第一光束偏转器与所述第二光束偏转器相互垂直，分别对应入射光束x与y方向；所述第一分光棱镜将入射光束分光为出射光束与第一反射光束，第一反射光束经过所述第二分光棱镜分束后分为第一监控光束与第二监控光束；所述第一监控光束经过所述第一透镜后到达所述第一光电感应器，所述第二监控光束经过所述第二透镜、所述第二反射镜、所述第三透镜后达到第二光电感应器；所述控制器用于控制第一光束偏转器和第二光束偏转器输入频率；所述第一光束偏转器与所述第二光束偏转器优选声光偏转器或电光偏转器。
7.进一步地，所述第一棱镜与所述第二棱镜优选三角棱镜或者楔形棱镜。
8.进一步地，所述第一光束偏转器前的入射面与所述第一光电感应器的探测面关于所述第一透镜为物像关系。
9.进一步地，所述第二光电感应器位于由所述第二透镜与所述第三透镜组成透镜组的焦面处。
10.进一步地，所述第一光电感应器与所述第二光电感应器优选位置探测器或四象限探测器。
11.本发明的有益效果是：本发明采用了无惯性反馈的方式，利用了基于声光偏转器或电光偏转器的非机械式的控制方法替代以往系统中机械控制方式，去除了由于音圈电机驱动器或压电陶瓷驱动器使用中机械惯性引起的误差，可以让激光束稳定系统稳定精度得到大幅提升。并且，目前基于音圈电机、压电陶瓷、空气楔等的光束稳定系统，其控制频率往往在1khz以下，而本发明提出的基于aodf的角度校正方法可以突破此频率限制提升至1mhz以上，提升1000倍以上。利用该调整方法和装置得到的稳定光束，可以广泛用于超分辨显微成像系统(如荧光发射损耗显微镜、双光子显微镜、结构光照明显微镜等)和高精度激光直写光刻系统。
附图说明
12.图1是本发明基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置示意图；
13.图2是本发明位置漂移的检测与实时修正光路设计图；
14.图3是本发明角度漂移的检测与实时修正光路设计图；
15.图中，1-第一反射棱镜、2-中空回射器、3-第一纳米移动台、4-第二纳米移动台、5-第一棱镜、6-第二棱镜、7-第一光束偏转器、8-第二光束偏转器、9-第一分光棱镜、10-第二分光棱镜、11-第一透镜、12-第一光电感应器、13-第二透镜、14-第二反射镜、15-第三透镜、16-第二光电感应器、17-控制器。
具体实施方式
16.下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
17.本发明提供一种基于角度无惯性反馈校正的光束稳定装置，如图1所示，包括第一反射棱镜1、中空回射器2、第一纳米移动台3、第二纳米移动台4、第一棱镜5、第二棱镜6、第一光束偏转器7、第二光束偏转器8、第一分光棱镜9、第二分光棱镜10、第一透镜11、第一光电感应器12、第二透镜13、第二反射镜14、第三透镜15、第二光电感应器16、控制器17。
18.采用图1所示装置对入射光束进行实时稳定的方法，具体如下：
19.一束波长为532nm的入射光束，经过第一反射棱镜1反射后入射到中空回射器2上，中空回射器2使用三个正交表面，将光以与入射光束相同的角度反射，不受位置或对准变化的影响，并且入射光束与出射光束的中心位置关于中空回射器2三个镜面的焦点对称。
20.中空回射器2固定在第一纳米移动台3与第二纳米移动台4上，两个位移台包括但不限于选用索雷博公司型号为nf15ap25/m的位移台，带压电驱动器，位移精度达0.76nm。第一纳米移动台3可沿入射光平面y方向移动，第二纳米位移台4可沿入射光平面x方向移动，从而通过两个纳米位移台的移动，实现对入射光束位置的独立调控。
21.随后，入射光束经过第一棱镜5与第二棱镜6后入射到第一光束偏转器7与第二光束偏转器8中。所述第一棱镜5与第二棱镜6相互垂直，分别用于沿入射光束x与y方向对其进行角度偏转，通过调节第一棱镜5和第二棱镜6的底座倾角，使光束在x与y方向的偏转角度等于第一光束偏转器7与第二光束偏转器8的布拉格衍射角度，从而使出射光束与中空回射器2反射的光束在空间上平行，避免检测系统中引入误差。第一光束偏转器7与第二光束偏转器8优选声光偏转器或电光偏转器，包括但不限于选用英国gooch&housego公司型号为4090-7的声光偏转器，其扫描角度约为44mrad，布拉格角度为1.76
°
。第一光束偏转器7与所述第二光束偏转器8相互垂直，分别对应入射光束x与y方向，实例中采用计算机作为控制器17，通过发送相应的指令选择合适的输入频率，精确地控制第一光束偏转器7与所述第二光束偏转器8在x方向与y方向的偏转角度，实现对入射光束角度的独立调控。
22.从第一光束偏转器7与第二光束偏转器8出射的光束在经过第一分光棱镜9以后出射，本实施例中所述第一分光棱镜9选取透过率与反射率比值为9：1的分光棱镜，所以有10％能量的部分光束进入检测部分。反射光束经过第二分光棱镜10分束后分为第一监控光束与第二监控光束，本实施例中所述第二分光棱镜10选取透过率与反射率比值为1：1的分光棱镜，所以第一监控光束与第二监控光束能量相等。
23.所述第一监控光束经过第一透镜11后入射到第一光电感应器12的探测面上，系统通过检测焦点实时的位移获得光束位置偏转情况。图2为位置漂移的检测与实时修正光路设计图，其中d1＝100mm为第一光束偏转器7入射端到第一分光棱镜9中心的距离，d2＝70mm为第一分光棱镜9中心到第二分光棱镜10中心的距离，d3＝30mm为第二分光棱镜10中心到第一透镜11中心的距离，d4＝200mm为第一透镜11中心到第一光电感应器12的探测面的距离，第一透镜11的焦距为f1＝100mm，满足下式(1)：
[0024][0025]
所以，第一光束偏转器7前的入射面与第一光电感应器12的探测面满足物像关系，当第一光束偏转器7或第二光束偏转器8小范围调整入射光束角度时，由于入射端的光束传播角度没有变化，第一光电感应器12探测到光束的位置不变，实现独立位置漂移的检测与实时修正。
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所述第二监控光束经过第二透镜13、第二反射镜14与第三透镜15后入射到第二光电感应器16的探测面上，系统通过检测焦点实时的位移计算获得角度偏转情况。图3为角度漂移的检测与实时修正光路设计图，其中d5＝60mm为第二透镜13到第二反射镜14中心的距离，d6＝28mm为第二反射镜14中心到第三透镜15的距离，d7为第三透镜15到第二光电感应器16探测面的距离，第二透镜13选取索雷博型号为lbf254-100-a的透镜，焦距f2＝100mm，选取索雷博型号为ld2060的透镜，焦距f3＝-15mm，组合透镜组的等效焦距f可根据下式(2)计算获得：
[0027][0028]
第三透镜15到第二光电感应器16探测面的距离d7可根据下式(3)计算获得：
[0029][0030]
所以，第二光电感应器16位于由第二透镜13与第三透镜15组成透镜组的焦面处，当光束只发生位置变化时，焦点处的光斑不发生变化，当入射光束角度发生变化时，第二光电感应器16检测到焦点的位移变化，通过计算获得光束角度的变化，随后控制第一光束偏转器7与所述第二光束偏转器8进行修正，实现独立角度漂移的检测与实时修正。所述第一光电感应器12与所述第二光电感应器16优选位置探测器或四象限探测器。
[0031]
通过以上操作，本发明装置利用无惯性反馈的光束偏转器替代了原先由惯性的压电或者音圈电机驱动的角度修正，不仅提高了系统的角度稳定精度，而且基于其达1mhz以上的控制频率，大幅提升控制速度，实现光束角度漂移的快速校正。