精密光学测量3-光栅曝光精密光路搭建

光学基本实验

光学准直

高度调节

(1)将光阑尽量靠近,此时光阑的孔的高度认为是光源的高度。
(2)然后将光阑拉远,调节光源高度与光阑孔同高。
(3)反复调节几次,光源调节高度可以认为远近一致相同。

水平调节

在靠近激光光源处,让光通过光阑,确定好初始点,从此初始点沿着和光学平台边平行的直线移动,移动到远处,调节水平旋钮,让光能够通过光阑孔,就可以确定水平的偏移。

空间光滤波器

空间光滤波器作用

第一部分是缩束,即利用透镜组合改变光束大小。
第二部分是滤波,即利用小孔滤掉高频成分,保持光斑质量。

原理

激光可以会聚成非常小的一点,所以可作为一个接近于理想的点光源来产生球面波,这对于光学系统是非常有用的。但是激光又具有高度的相干性,空中的灰尘,光学元件或激光本身往往有一些散射光会形成干扰,因此要在会聚的点上放一小孔,使杂散光不能通过(如用10倍的显微镜物镜聚焦,则针孔直径约25μm)该针孔所起的作用就好像无线电中的滤波器一样,不允许其他空间频率的光通过,所以称针孔滤波器。
输入的高斯光束有空间变化的强度噪声。当通过非球面透镜聚焦光束时,入射光束转变为一个中心高斯光斑(在光轴方向上)和边缘条纹结构,这说明有我们不希望看到的噪声存在。条纹的径向位置和噪声的空间频率成比例。通过在高斯光斑中心加一个针孔,边缘条纹就会被挡掉而只有中心干净的部分透过 。
这里写图片描述
99%的轮廓处的衍射极限光斑尺寸由下式给出:D=λ f / r
λ 表示波长,f表示焦距,r表示入射光束1/e2 处的半径。比衍射极限光斑尺寸大30%的针孔允许聚焦高斯光斑透过,同时阻挡了偏离轴心的噪声条纹。

应用举例:

例如,假设您使用一个650纳米的二极管激光器光源,其直径为1.2毫米(1/e2),通过空间滤波系统以后,您希望得到直径约为4.4毫米的光斑。基于这些参数,C560TME-B安装好的非球面透镜是空间滤波系统入射部分的合适选择,因为它专为650纳米波长设计,通光孔径为5.1毫米,足够容纳该激光光源的整个直径范围。 99%的轮廓处的衍射极限光斑尺寸计算公式已经在上面给出,针对这个例子,对于C560TM-B, λ = (650 x 10-9 米),f = 13.86毫米,r = 0.6毫米,代入上式,我们得到
D= 15um
衍射极限光斑尺寸(650纳米光源, Ø1.2毫米光束) 应该选择比D约大30%的针孔。如果针孔太小,光束就会被挡掉一部分;如果针孔太大,除了TEM00 模以外的其他部分就会透过针孔。因此,对于这种情况,针孔的尺寸最理想的是19.5微米。因此,我们推荐使用安装好的针孔P20S,它的针孔尺寸为20微米。 改变参数,如输入光斑的直径和聚焦透镜的焦距,可以改变光束束腰直径,从而改变需要的针孔尺寸。减小入射光束直径会增加束腰直径。使用更长焦距的聚焦透镜也会增加光束束腰直径。最后,我们需要选择空间滤波器输出端的光学元件,以确保输出光束的直径是我们希望得到的4.4毫米。为了确定合适的透镜焦距,考虑到下面的图表,没有按照比例绘制。从左边的三角形我们可以推断出,角度大约为2.48o。在右边的三角形中使用该角度,可以计算出平凸透镜的焦距,大约为50毫米。对于这个焦距,我们推荐LA1131-B平凸透镜[其设计波长(λ=633纳米)处的焦距f=50毫米)该产品适用于650纳米的光源)]。
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调节方法

(1)安装好空间滤波器的物镜和下面的高度台,水平位移台,调节高度和水平位置使光束能够通过物镜。
(2)首先确保物镜到小孔的距离远大于物镜焦距,安装上针孔,调节小孔水平位置和垂直位置,让光能够穿过小孔出现下图所示的光斑和周围的衍射光圈。
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(3)如果光圈的形状不是特别圆,有可能是小孔的位置没有对准,当调节到光斑最亮最圆时,继续调近物镜,此时可能物镜和小孔的对准效果又发生了改变,继续调节小孔的高度和水平位置,出现理想的光斑。
(4)反复进行第三步,当物镜到小孔的距离接近焦距时,就会出现下图所示最亮的园。如果继续往前移动物镜或往后移动物镜,又会出现衍射光圈。此时认为空间滤波器调节完成。
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分析:出来的光斑上也会有一些灰色的区域。原因可能是小孔的形状不是完全的圆形,还有可能是激光光源的质量,另外物镜的镜上的污染物和缺陷也会引入杂散光。

待续。。。

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