專利名稱：一種透鏡焦平面上聚焦光斑間相對位移掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透鏡焦平面上聚焦光斑間的高分辨率、線性位移掃描方法。其特點是利 用透鏡的面內(nèi)運動控制其焦平面上的聚焦光斑的高分辨率、線性位移掃描。在光學(xué)測試與激 光精密加工領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)研究和光學(xué)加工、測試中常常會遇到利用透鏡聚焦多束光，在其焦平面上獲得 聚焦小光斑，并控制其中一個光斑在其它光斑周圍掃描，以探測其它光斑激發(fā)樣品(位于焦 平面上)所產(chǎn)生的某種效應(yīng)的空間分布。如半導(dǎo)體中激光點激發(fā)電子的輸運測量，激光點加 熱樣品的溫度分布測量等都涉及探測光點相對激發(fā)光點的位移掃描。傳統(tǒng)的焦平面光斑掃描 方法是利用反射鏡，控制入射激光束的方向，實現(xiàn)聚焦光斑在焦平面上的掃描。聚焦光斑在 焦平面上相對透鏡主光軸與焦平面的交點(記為坐標(biāo)原點0)的位移為〃 =/義"0 (f為透
鏡焦距，e為入射光束與透鏡主光軸之間的夾角)。通過掃描入射光束相對主光軸的傾斜角6>， 則可以實現(xiàn)該光束的聚焦光斑在焦平面上的掃描。然而，這種掃描方法存在五個主要缺點。 一是它的掃描角度與光斑的位移之間是非線性的，即掃描位移的非線性性。二是光斑位移掃 描的分辨率受旋轉(zhuǎn)平臺的角分辨率限制，不能達(dá)到納米分辨率，例如目前的商業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)臺的 最好角分辨率在2/1000度左右，對f=20mm， 0.7，。三是入射光束方向掃描，使光束 方向偏離透鏡主光軸，引起相關(guān)的象差，使聚焦光斑質(zhì)量變差。四是掃描分辯率依賴于透鏡 焦距f。五是光束角度掃描中，光程發(fā)生變化，不能實現(xiàn)激發(fā)光脈沖與探測脈沖之間的等時間 延遲下的空間分辨光斑掃描測量。因而，發(fā)明新的、克服上述五個缺點的焦平面光斑掃描方 法，具有重要應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了光束角度掃描實現(xiàn)焦平面上聚焦光斑位移掃描所存在的上述五個缺點，發(fā) 展了一種新的線性位移掃描方法。其關(guān)鍵是使透鏡本身在面內(nèi)掃描，而激光束方向保持不變， 總是與透鏡主光軸平行，所以消除光束方向偏離主光軸引起的象差。由幾何光學(xué)知識可知， 平行于透鏡的主光軸入射的平行激光束將被聚焦在焦平面上主光軸通過的點(記為0)上。 當(dāng)透鏡在其自身平面內(nèi)移動時，其焦平面位置不變，但其主光軸隨透鏡同歩運動，所以，通過 其聚焦的光斑在焦平面上也同步移動，移動量與透鏡焦距無關(guān)。這種運動是一種線性移動， 可以將透鏡固定在一維或二維線性平移臺上，由計算機控制線性平移臺移動，實現(xiàn)聚焦光斑 在焦平面上的一維或二維運動。而目前的商業(yè)制造的機械運動線性平移臺的分辨率已可以達(dá) 到10rmm，使用壓電陶瓷驅(qū)動的線性平移臺分辨率更是高達(dá)埃的量級。所以，基于我們發(fā)明 的這種線性光斑掃描方法能夠?qū)崿F(xiàn)焦平面上的聚焦光斑的埃量級高分辨率線性掃描，同時聚 焦光斑免除了傾斜光線相關(guān)的象差。此外，這種掃描方式也不改變被聚焦激光束的光程長度。因而，消除了光束角度掃描所存在的上述五個缺點。


圖1透鏡焦平面上聚焦光斑間相對位移掃描方法原理圖
圖2 GaAs量子阱中泵浦光點注入電子自旋的擴(kuò)散輸運空間分布時間演化測試結(jié)果
圖1中，l為激光束，激發(fā)位于焦平面上的樣品(又稱泵浦光)；2為另 一束比1弱的激
光束(又稱探測光)，通常從1中分束產(chǎn)生。3為透鏡5的主光軸；4為透鏡6的主光軸；5 和6為同一個透鏡切割成的兩部分之一，兩者仍位于同一平面內(nèi)；7為透鏡的焦平面；8為光
束1通過透鏡5聚焦的光斑；9為光束2通過透鏡6聚焦的光斑；IO為光電探測器，測量探
測光2透過樣品(在焦平面7上)后的透射光強變化。
圖2所示為飛秒脈沖激光光源通過標(biāo)準(zhǔn)的時間分辨泵浦-探測裝置后，輸出的泵浦光和探 測光射入圖1所示的聚焦光斑掃描系統(tǒng)中。通過控制泵浦-探測裝置中探測光脈沖相對于泵浦 光脈沖的不同延遲時間，并空間掃描圖1中泵浦聚焦光斑8 (對應(yīng)透鏡5的面內(nèi)運動)，使其 在過探測聚焦光斑9的直線上線性掃描，獲得泵浦飛秒激光脈沖點注入電子自旋的空間輸運 的時間演化結(jié)果。圖2中，l為泵浦光點注入電子自旋，探測飛秒激光脈沖延遲10ps時測試 的電子自旋的空間分布；2為探測飛秒激光脈沖延遲30ps時測試的電子自旋的空間分布；3 為探測飛秒激光脈沖延遲50ps時測試的電子自旋的空間分布；4為探測飛秒激光脈沖延遲 80ps時測試的電子自旋的空間分布；5為探測飛秒激光脈沖延遲120ps時測試的電子自旋的 空間分布；6為探測飛秒激光脈沖延遲200ps時測試的電子自旋的空間分布。
具體實施例方式
本發(fā)明已具體實施。應(yīng)用于GaAs量子阱中光點注入電子自旋的擴(kuò)散輸運的時間-空間分 辨演化測量。泵浦與探測飛秒光脈沖間的時間延遲量由光學(xué)延遲線控制，分辨率為0.067fs。 由于本發(fā)明中面內(nèi)掃描透鏡5，不改變泵浦與探測光脈沖之間的時間延遲，所以，只要控制 泵浦與探測光脈沖間的時間延遲到某一固定值，再空間掃描泵浦光聚焦透鏡5 (對應(yīng)聚焦光 斑8掃描)，即可獲得泵浦光點注入的電子自旋，由于擴(kuò)散輸運，在不同延遲時間的電子自旋 的空間分布。如圖2所示，顯示出在延遲時間為10ps(曲線1)、 30ps(曲線2)、 50ps(曲線3)、 80ps(曲線4)、 120ps(曲線5)和200ps(曲線6)時的電子自旋的擴(kuò)散和復(fù)合導(dǎo)致的空間分布。 利用電子自旋擴(kuò)散輸運的相關(guān)理論，通過對這一系列時間延遲電子自旋空間分布曲線的分析， 可以獲得電子自旋的擴(kuò)散系數(shù)為37. 5土15cm7s。這種固定時間延遲的電子自旋空間分布曲線， 是光束角度掃描法所不能獲得的，因為光束角度掃描會改變光程長度，進(jìn)而改變泵浦與探測 光之間的時間延遲量。本實例顯示了本發(fā)明的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種透鏡焦平面上聚焦光斑間相對位移掃描方法，其特征是使用透鏡面內(nèi)位移掃描代替入射激光束的角度掃描，實現(xiàn)聚焦光斑在焦平面上的高分辨、線性掃描，而入射激光束總是保持與透鏡主光軸平行；將聚焦透鏡沿直徑切割、一分為兩個半透鏡，但兩個半透鏡仍共面，其中一個半透鏡固定在一或二維線性平移臺上。入射的兩束激光束分別通過兩個半透鏡聚焦在焦平面上；當(dāng)平移臺驅(qū)動固定在其上的半透鏡作面內(nèi)位移掃描時，實現(xiàn)了通過此半透鏡聚焦在焦平面上的光斑相對通過另一半透鏡聚焦的激光斑的掃描。
全文摘要
一種透鏡焦平面上聚焦光斑間相對位移掃描方法，其特點是使用聚焦透鏡的面內(nèi)位移代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光束角度掃描，實現(xiàn)焦平面上聚焦光斑的線性掃描。這種光斑掃描方法的分辨率僅由線性平移臺的分辨率決定，而與聚焦透鏡的焦距無關(guān)，能夠達(dá)到埃量級；光斑掃描時，能夠保持光束的光程不變；原理如上圖所示，將聚焦透鏡沿直徑切割，一分為兩個半透鏡，但兩半透鏡仍共面。兩束入射激光均與透鏡主光軸平行，因而消除了光束傾斜引起的各種像差。兩束激光分別通過兩個切割分離的半透鏡聚焦在焦平面上。其中一個半透鏡固定在一或二維線性平移臺上，由平移臺控制其面內(nèi)移動，從而實現(xiàn)通過該半透鏡的激光束在焦平面上的聚焦光斑相對于通過另一半透鏡聚焦光斑的掃描。應(yīng)用于半導(dǎo)體中電子自旋輸運的測試實例顯示了本發(fā)明的有益效果。
文檔編號G02B26/10GK101477247SQ20091003651
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者余華梁, 張秀敏, 賴天樹 申請人:中山大學(xué)