一种CCD相机实时监测共点和同时信号的方法及其系统

本发明涉及激光加工微纳结构技术领域，尤其是一种利用ccd相机实时监测共点和同时信号的方法及其系统。

背景技术：

近年来，激光加工微纳结构技术已成为制造功能性器件的有效手段之一，它具备加工精度高、加工速度快、加工质量高等优点。飞秒到纳秒量级的激光不仅具有超高峰值功率和超短脉冲宽度的特质，还在激光与物质相互作用中出现了许多新现象，且对不同材料的特性有所改善，这都引起了科学家的注意，在光物理化学、电子动力学以及各种非线性过程的研究中都得到了广泛的应用，展现出了良好的应用前景。激光照射半导体和电介质等材料表面时，在不同的激光参数下，会诱导不同周期远小于波长的条纹结构。

目前，探测飞秒激光双光束是否脉冲时间重合的方法为在双光束共点位置后放置倍频晶体(bbo晶体)，通过调节延迟线位置，当在bbo后能探测到很强的和频信号时，此时双光束脉冲在时域上是重合的。此方法光路简单，但是受限于倍频晶体需要定做且掌握不好入射倍频晶体的角度，除此之外，若倍频后的信号为不可见光时，对倍频信号的探测也具有一定的困难。因此，为了更高效、更便捷地找到共点和同时信号，以达到加工更精确、质量高的目标，成为了一个难题。当两束光不完全共点时，只有很小的部分才能形成干涉区域，严重影响了加工质量。当两束光在时域上未重合，即未达到同时时，此时形成不了干涉。所以如何克服原有利用倍频晶体寻找同时信号的困难，是激光加工微纳结构技术领域的一个关键点。

综上所述，现有技术的倍频晶体需要定做，且入射倍频晶体的角度不易掌握，很难找到同时信号，若倍频后的信号为不可见光时，对倍频信号的探测更为困难，严重制约了高精度微纳结构的激光加工。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种共点同时ccd相机实时监测系统，采用调整前后控制延迟线的位置，实现两束激光脉冲同时到达标定板表面，即物镜焦平面上恰好共点且同时，其干涉强度条纹图样通过ccd相机在计算机端进行实时监测，观测效果简单、方便，适用波长范围广，较好的解决了倍频信号探测难的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种ccd相机实时监测共点和同时信号的方法，其特点是将一束脉冲激光通过调整延迟线的位置后与另一束经能量衰减的脉冲激光汇聚在物镜焦平面上恰好共点且同时，利用ccd相机在计算机端实时观测双光束脉冲激光的干涉条纹图样，实现共点和同时信号的探测，所述延迟线由设置在滑台上的两反射镜组成；所述两激光汇聚的夹角为0.1～10°；所述干涉条纹的周期由飞秒激光波长和两激光汇聚的夹角共同决定，其干涉条纹的周期λ由下述a式计算：

λ＝λ/2sinθ(a)；

其中：λ为飞秒激光波长；θ为两束飞秒激光夹角。

一种ccd相机实时监测共点和同时信号系统，其特点是实时监测共点和同时信号系统包括：飞秒激光器、分束晶体、延迟线、能量衰减片、第一圆透镜、第二圆透镜组成的干涉单元和标定板、物镜、第三圆透镜、ccd相机、计算机组成的监测单元，所述计算机与滑台和ccd相机连接，并由计算机通过ccd相机干涉强度条纹图样探测，对延迟线的位置进行微调，使两束脉冲激光汇聚在标定板上恰好共点且同时；所述延迟线由滑台以及设置在电动直线滑台上的第二反射镜和第二反射镜组成；所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲经分束晶体分成两束激光，并通过能量衰减片的控制使得两束激光的能量密度相同；其中一束激光经第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜以及能量衰减片后经第一圆透镜汇聚在标定板；另一束激光经第二反射镜、延迟线的位置调整后由第四反射镜、第二圆透镜连接的光路汇聚在标定板，汇聚后的双光束经标定板、物镜、第三圆透镜进入ccd相机；所述ccd相机将汇聚在标定板上的干涉强度条纹图样输入计算机，且由计算机对共点和同时信号进行实时监测，实现倍频信号的探测；所述ccd相机分辨率为4000(h)×3000(v)，可以观测到微米量级的结构；所述标定板放置在三维靶架上；所述物镜放置在三维平移台上。

所述飞秒激光通过5:5分束晶体将激光脉冲分为两束，其中一束激光脉冲经过一能量衰减片后再经过第一圆透镜汇聚到标定板处，能量衰减片用于调节两路激光的能量密度一致；另一束激光脉冲经过一延迟线后再经过第二圆透镜汇聚到标定板处，汇聚后的双光束经过标定板、物镜、第三圆透镜以及ccd相机；所述计算机分别与滑台、ccd相机连接，其具体工作过程如下：

a、选用5:5的分束晶体把一束飞秒激光分成两束激光，利用能量衰减片控制两束激光的能量密度相同。

b、两束光分别经过第一圆透镜和第二圆透镜，汇聚于两个圆透镜后的标定板上(标定板放置在三维靶架上)，此时在标定板前表面贴一白纸，调节两束光的夹角在0～10°之间，用肉眼初步判断两束光共点汇聚在白纸上。

c、去掉标定板前表面的白纸，使得两束光透过标定板射入物镜，在物镜(放置在三维平移台上)后依次放置第三圆透镜和ccd相机。

d、移动三维靶架，将标定板最边缘刻线移动到ccd相机视场中央，利用三维平移台精确地调节物镜位置，改变物镜与标定板之间的距离，以及精确地调节第三圆透镜的位置，改变第三圆透镜与物镜之间的距离，找到两个光斑完全共点时物镜和第三圆透镜的位置，此时在计算机端观测到标定板刻线清晰，光斑完整，此步骤即为找到物镜焦平面的过程。

e、移动三维靶架，将标定板最边缘刻线移出ccd相机视场，直至计算机端观测不到刻线为止，防止标定板上的刻线影响同时信号的观测。

f、最后，通过前后微调延迟线的位置，直至在计算机端可以看到双光束干涉强度条纹图样。

本发明与现有技术相比具有适用波长范围广，观测效果简单方便的优点，较好的克服了包括倍频晶体需要定做且掌握不好入射倍频晶体的角度的问题，以及若倍频后的信号为不可见光时，对倍频信号探测的困难，为探测共点同时信号增添了新的方式，同时信号可由计算机直接观测，简单方便，有效解决了利用倍频晶体只适用于单一波长的困境，不仅仅局限于双光束，对于三光束乃至多光束，以及所有可见光都适用。

附图说明

图1为本发明的ccd相机实时监测共点和同时信号系统示意图；

图2为ccd相机观测到的标定板成像；

图3为计算机端实际观测到的共点同时双光束干涉强度条纹图样。

具体实施方式

参阅附图1，本发明的ccd相机实时监测共点和同时信号系统包括：飞秒激光器1、分束晶体2、第一反射镜12、第二反射镜13、第三反射镜14、第四反射镜15、第五反射镜16、第六反射镜17、第七反射镜18、能量衰减片4、电动直线滑台19、第一圆透镜5、第二圆透镜6组成的干涉系统和标定板7、物镜8、第三圆透镜9、ccd相机10和计算机11组成的监测系统，第二反射镜13和第三反射镜14固定在电动直线滑台19上构成延迟线3，标定板7放置在三维靶架上，物镜8放置在三维平移台上。

为便于叙述，在附图1(俯视图)上设置了空间直角坐标系，为标定板7和物镜8的移动坐标系。其中，设定水平方向为x轴、竖直方向为y轴、与附图1纸面垂直的方向为z轴，电动直线滑台19的移动坐标系仅为其中的y轴。

所述飞秒激光器1输出的飞秒脉冲通过5:5分束晶体2将激光脉冲分为两束，其中一束激光脉冲经第五反射镜16、第六反射镜17、第七反射镜18以及能量衰减片4连接的光路后由第一圆透镜5汇聚到标定板7处，能量衰减片4用于调节两路激光的能量密度一致；另一束激光脉冲经第一反射镜12、由第二反射镜13和第三反射镜14固定在电动直线滑台19上所构成的延迟线3、第四反射镜15连接的光路后由第二圆透镜6汇聚到标定板7处，汇聚后的双光束经过标定板7、物镜8、第三圆透镜9以及ccd相机10。所述ccd相机10将采集的共点同时双光束干涉强度条纹图样输入计算机11，并由计算机11根据实时监测的共点和同时信号，对延迟线3的位置进行调控，使得实时监测的干涉强度条纹图样清晰；所述标定板7放置在三维靶架上；所述物镜设置在三维平移台上。

所述ccd相机10实时监测共点同时信号的具体工作过程如下：

a、用5:5的分束晶体2把一束飞秒激光分成两束激光，利用能量衰减片4控制两束激光的能量密度相同。

b、两束激光中的一激光经第五反射镜16、第六反射镜17、第七反射镜18、能量衰减片4、第一圆透镜5，另一激光经第一反射镜12、由第二反射镜13和第三反射镜14固定在电动直线滑台19上构成的延迟线3、第四反射镜15、第二圆透镜6，两束激光汇聚于两个圆透镜后的标定板7上(标定板7放置在三维靶架上)，此时在标定板7前表面贴一白纸，在0.1～10°之内调节两束激光的夹角，用肉眼初步判断两束光共点汇聚在白纸上。

c、去掉标定板7前表面的白纸，使得两束激光透过标定板7射入物镜8，在物镜8(放置在三维平移台上)后依次放置第三圆透镜9和ccd相机10。

d、移动三维靶架将标定板7最边缘刻线移动到ccd相机10视场中央，利用三维平移台精确地调节物镜8位置，改变物镜8与标定板7之间的距离，以及精确地调节第三圆透镜9的位置，改变第三圆透镜9与物镜8之间的距离，找到两个光斑完全共点时物镜8和第三圆透镜9的位置，此时在计算机11端观测到标定板7刻线清晰，光斑完整，此步骤即为找到物镜8焦平面的过程。

e、沿三维靶架y轴移动标定板7位置，将标定板7最边缘刻线移出ccd相机10视场，直至计算机11端观测不到刻线为止，防止标定板7上的刻线影响同时信号的观测。

f、通过电动直线滑台19前后微调延迟线3的位置，以确保两束光同时到达标定板7处，直至在计算机11端看到的双光束干涉强度条纹图样清晰可辨。

本发明对原有利用倍频晶体寻找同时信号的困难而提供的一种利用ccd相机实时监测共点和同时信号的方法，其目的是在找到双光束共点位置后，直接通过电动直线滑台前后控制延迟线的位置实现两束激光脉冲同时到达标定板表面。本发明不仅仅局限于双光束，对于三光束乃至多光束都适用，也对于所有可见光都适用，不局限于利用倍频晶体只适用于单一波长的困境。

通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

1)搭建附图1所示的双光束飞秒激光共点同时ccd相机实时监测系统

采用5:5的分束晶体2把一束飞秒激光分成两束激光，使一束激光脉冲经第五反射镜16、第六反射镜17、第七反射镜18以及能量衰减片4后再经过第一圆透镜5汇聚到标定板7处；另一束激光脉冲经第一反射镜12、由第二反射镜13和第三反射镜14固定在电动直线滑台19上构成的延迟线3、第四反射镜15后再经过第二圆透镜6汇聚到标定板7处，利用能量衰减片4控制两束激光的能量密度相同。

2)设置加工条件

使用波长为515nm的飞秒激光，控制两束飞秒激光的夹角为0.188°，条纹周期为2.74μm，确保在计算机11端观测到的双光束干涉强度条纹图样清晰可辨。

3)在标定板7前表面贴一白纸，用肉眼初步判断两束光共点汇聚在白纸上，去掉标定板7前表面的白纸，使得两束光透过标定板7射入物镜8，在物镜8(放置在三维平移台上)后依次放置第三圆透镜9和ccd相机10。

4)沿三维靶架的y轴移动标定板7的位置，将标定板7最边缘刻线移动到ccd相机10视场中央，利用三维平移台精确地调节物镜8位置，改变物镜8与标定板7之间的距离，以及精确地调节第三圆透镜9的位置，改变第三圆透镜9与物镜8之间的距离，找到两个光斑完全共点时物镜8和第三圆透镜9的位置。

参阅附图2，在计算机11端观测到标定板7刻线清晰，光斑完整，即找到物镜8焦平面。沿三维靶架的y轴移动标定板7的位置，将标定板7最边缘刻线移出ccd相机10视场，直至计算机11端观测不到刻线为止，防止标定板7上的刻线影响同时信号的观测。

参阅附图3，通过电动直线滑台19沿y轴微调延迟线3的位置，直至在计算机11端可以看到双光束干涉强度条纹图样清晰可辨。

本发明不限于双光束以及飞秒激光，也可以采用多光束以及纳秒、皮秒激光，为了使像汇聚的更小更集中，第三圆透镜选择使用焦距为100mm的圆透镜，但是不限制于焦距为100mm的圆透镜。在此系统中，通过5:5分束晶体将激光脉冲分为两束，其中一束激光脉冲经过一能量衰减片后再经过第一圆透镜汇聚到标定板处，能量衰减片4用于调节两路激光的能量密度一致；另一束激光脉冲经延迟线3后通过第二圆透镜6汇聚到标定板7处；汇聚后的双光束经过标定板7、物镜8、第三圆透镜9以及ccd相机10。由于干涉条纹周期为λ＝λ/2sinθ，因此需要调节两束光路的汇聚夹角在0.1～10°之内，才能保证双光束干涉强度条纹图样清晰可辨。此时，通过调整延迟线3的位置，使得在标定板7处(即物镜8焦平面上)恰好共点且同时，并通过ccd相机10在计算机11端能观察到良好的干涉强度条纹图样，物镜8的目的是为了提高分辨率，两圆透镜目的是为了汇聚成像。

以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。