一种光斑聚焦装置

1.本发明涉及光学聚焦领域，具体涉及一种光斑聚焦装置。

背景技术：

2.在光谱和光电子谱等光学测量表征中，较高的空间分辨率决定了仪器可以对不均匀的材料表面进行精细化的物性测量，可以开拓相关表征手段在二维材料、空间相分离材料、转角薄膜异质结等新型体系上的研究发展。鉴于纳米级高精度运动控制器件的发展，十微米级的光斑尺寸大大限制了仪器测量的空间极限分辨率。对于大量新型材料，例如，机械剥离的二维材料、转角石墨烯等都在亚微米级尺寸上存在极大的不均匀性，原有大光斑已难以对其进行精细化的测量和物性表征，因此，配合对光斑尺寸进行亚微米级的升级和优化是具有很大的仪器应用价值的。
3.在现有亚微米级光斑聚焦方案中多数是以同步辐射基础的20纳米波长光源、菲涅尔波带片/毛细管的聚焦方案。这种聚焦方案要求必须使用价值昂贵的光源，只能建立在同步辐射光源关联的束线实验站，难以在普通实验室进行普及，受限于菲涅尔波带片/毛细管的低聚焦效率，这种方案所提供的激光聚焦强度较低，得到的测量信号统计也会较差。
4.针对上述相关技术中对光斑尺寸进行亚微米级聚焦存在聚焦效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种光斑聚焦装置，用以克服现有技术中对光斑尺寸进行亚微米级聚焦存在聚焦效率低和搭建难度高的缺陷。
6.为了实现上述目的，本发明实施例的第一方面，提供一种光斑聚焦装置，包括：
7.光源模块，用于发出具有预设强度、预设偏振方向及第一预设波长的第一激光；
8.倍频处理模块，用于对所述第一激光进行倍频处理，以得到具有第二预设波长的第二激光，所述第二预设波长小于所述第一预设波长；
9.光斑整形模块，用于在预设方向上对所述第二激光进行整形，以得到具有预设形状的光斑的第三激光；
10.激光调节模块，用于对所述第三激光进行扩束处理和滤波处理，以得到第四激光；
11.聚焦模块，用于对所述第四激光进行聚焦，以得到具有设定尺寸的光斑的第五激光。
12.本发明通过对光斑进行整形、过滤杂斑、以及采用平凸透镜聚焦方案，能够有效提高聚焦效率，从而很好地解决目前对光斑尺寸进行亚微米级聚焦中存在聚焦效率低的问题。此外本发明通过采用高倍光束扩束透镜组，使得亚微米级光斑聚焦可以基于商用紫外激光光源实现，极大降低了实验室搭建亚微米级聚焦光路的成本和难度。
13.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中,所述装置还包括：
14.聚焦检测模块，用于对所述第五激光的光斑进行检测，以根据光斑的检测结果调
整光路状态；所述光路状态包括光源模块与倍频处理模块之间的光路状态、倍频处理模块与光斑整形模块之间的光路状态、光斑整形模块与激光调节模块之间的光路状态、激光调节模块与聚焦模块之间的光路状态中的一种或多种。
15.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中,所述聚焦检测模块包括：
16.光栅，用于对所述第五激光进行遮光处理；
17.光电管，用于对经过遮光处理后的第五激光进行实时测量；
18.检测单元，用于根据光强的变化趋势确定光斑空间分辨率以及光斑质量；
19.反馈调整单元，用于根据光斑质量和光斑空间分辨率的检测结果实时调整所述光路状态。
20.本发明通过聚焦检测模块，能够对光斑质量和光斑空间分辨率进行检测，以对光路状态进行实时检测和维护。
21.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述光源模块包括依次设置的激光器和调节单元：
22.激光器，用于出射具有第一预设波长的初始激光；
23.调节单元，用于将所述初始激光调节为具有预设强度和预设偏振方向的第一激光。
24.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述调节单元，包括依次设置的第一格兰-泰勒棱镜和第二格兰-泰勒棱镜：
25.第一格兰-泰勒棱镜和所述第二格兰-泰勒棱镜，用于将所述初始激光的强度调整至预设强度；
26.所述第二格兰-泰勒棱镜，用于将所述初始激光的偏振方向调整至预设偏振方向；
27.本发明通过光源模块可以调节激光强度，从而获取更广的激光强度范围，以适应实际实验需求。
28.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述倍频处理模块包括依次设置的聚焦单元和倍频单元：
29.聚焦单元，用于将所述第一激光聚焦至所述倍频单元；
30.倍频单元，用于倍频产生具有第二预设波长的第二激光；
31.可选地，聚焦单元为平凸透镜，倍频单元为非线性光学晶体。
32.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述光斑整形模块包括依次设置的第一整形单元和第二整形单元，所述预设方向包括水平方向和竖直方向：
33.第一整形单元，用于对所述第二激光的光斑进行水平方向整形；
34.第二整形单元，用于对所述第二激光的光斑进行竖直方向整形；
35.可选地，所述第一整形单元为第一平凸柱透镜，所述第二整形单元为第二平凸柱透镜。
36.本发明通过光斑整形模块可以获取更圆更均匀的光斑，便于光斑聚焦。
37.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述激光调节模块包括依次设置第一扩束单元、滤波单元和第二扩束单元；
38.第一扩束单元，用于对所述第三激光进行短程聚焦；
39.滤波单元，用于对短程聚焦的第三激光进行滤波处理；
40.第二扩束单元，用于对滤波处理后的短程聚焦的第三激光进行长程准直；
41.可选地，所述第一扩束单元为短焦扩束平凸透镜，所述滤波单元为光阑，所述第二扩束单元为长焦扩束平凸透镜。
42.本发明通过激光调节模块可以产生高质量的纯净扩束光斑，并且聚焦杂斑也更少，有助于提高光斑的聚焦效率和空间分辨能力。本发明通过第一扩束单元和第二扩束单元可以实现激光的高倍扩束，从而减弱亚微米级聚焦对于极低激光波长的要求，使得亚微米级聚焦可以基于商用紫外激光器进行搭建，极大降低光路搭建的成本和难度。
43.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中,所述装置还包括：
44.所述调节单元、所述倍频处理模块、所述光斑整形模块、所述激光调节模块、所述聚焦模块和所述聚焦检测模块均设置在氮气气体填充的密封腔体内。
45.本发明提供的光斑聚焦装置，对真空度的容忍度较高，只需粗真空后的氮气填充氛围，不需要极端的超高真空条件，应用更加广泛。
46.可选地，在第一方面的一种可能实现方式中,所述装置还包括：
47.反射模块，用于偏转激光的传播方向；所述反射模块包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；
48.其中第一反射镜设置在光源模块与倍频处理模块之间，第二反射镜和第三反射镜设置在光斑整形模块和激光调节模块之间，第四反射镜和第五反射镜设置在激光调节模块。
49.本发明通过设置反射模块，在腔体内进行光路偏转，可以很好地提高腔体的空间利用率。
50.本发明技术方案，还具有如下优点：
51.1.本发明提供的光斑聚焦装置,采用的是基本光学元件组，即棱镜、反射镜、平凸透镜、平凸柱透镜、光阑和光栅等；相比现有技术中基于同步辐射的菲涅尔波带片的聚焦方案可以提供更广泛的光能范围、更经济便捷的光源选择、更高效的聚焦元件。
52.2.本发明提供的光斑聚焦装置,通过竖直间隔700纳米的微结构测量光电子能谱和水平间隔1微米的微结构测量光电子能谱的光源空间分辨结果图，可以看出本发明能够提供更高的空间分辨率和较大的焦深。
附图说明
53.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
54.图1为本发明实施例1中光斑聚焦装置的原理框图；
55.图2为本发明实施例1中用于实现亚微米级光斑聚焦的光斑聚焦装置的结构组成示意图；
56.图3为用于光斑质量检测的工作原理示意图；
57.图4为聚焦光斑在水平方向的尺寸示意图；
58.图5为聚焦光斑在竖直方向的尺寸示意图；
泰勒棱镜2和第二格兰-泰勒棱镜3，用于将初始激光的强度调整至预设强度；第二格兰-泰勒棱镜3，用于将初始激光的偏振方向调整至预设偏振方向。
73.具体地，激光器1的种类不做限定，可以包括连续激光器。第一预设波长不做具体限定，例如出射355纳米的基频激光。
74.具体地，第一格兰-泰勒棱镜2和第二格兰-泰勒棱镜3的底部可以固定第一运动组件上(第一运动组件包括运动组件a和运动组件b，第一运动组件可以为电动马达，从而通过控制运动组件a旋转预设角度a1，运动组件b旋转预设角度b1，来调整第一格兰-泰勒棱镜2和第二格兰-泰勒棱镜3之间的相对角度该相对角度可以通过预设角度a1和预设角度b1确定，其中预设角度a1和预设角度b1可根据实际强度调节需求进行具体设置，继而实现对初始激光的强度调节；以及通过控制运动组件b旋转预设角度b2来调整第二格兰-泰勒棱镜3的角度，实现对初始激光的偏振方向进行调整，以满足倍频单元进行倍频处理所需要的基频光偏振相位条件。
75.更具体地，上述运动组件a、b主要起到带动两个棱镜旋转一定角度的作用，其具体连接关系和具体结构不作为本发明重点，在此不作限定，例如可以包括：将第一运动组件与第一格兰-泰勒棱镜2连接，第二运动组件与第二格兰-泰勒棱镜3连接，当需要对激光进行强度调节时控制第一调节组件带动第一格兰-泰勒棱镜2旋转第一预设角度，并控制第二调节组件带动第二格兰-泰勒棱镜3旋转第二预设角度(第一、第二预设角度的角度大小可根据强度调节需要进行具体设置；当需要对激光进行偏振方向调节时控制第二格兰-泰勒棱镜3旋转第三预设角度(第三预设角度的角度大小可根据偏振方向调节需要进行具体设置。
76.本发明提供的光斑聚焦装置，通过调整光源模块中第一格兰-泰勒棱镜2和第二格兰-泰勒棱镜3的相对角度，可以调节激光强度，从而获取更广泛的激光强度范围，以适应实际实验需求。
77.倍频处理模块包括依次设置的聚焦单元和倍频单元：聚焦单元，用于将第一激光聚焦至倍频单元；倍频单元，用于倍频产生具有第二预设波长的第二激光。
78.具体地，倍频处理模块主要用于使预设强度、预设偏振方向及第一预设波长的第一激光通过倍频单元聚焦至倍频单元，继而倍频产生与第一激光具有一定夹角(例如9
°
)的第二激光；其中第二激光的第二预设波长包括177纳米。
79.更具体地，聚焦单元可以包括平凸透镜5，该聚焦单元的焦距根据实际情况具体设置即可在此不做具体限定，例如将聚焦单元的焦距设置为5厘米；该聚焦单元垂直于第一激光的传播方向设置，聚焦单元的凸面朝向第一激光的入射方向，聚焦单元的平面朝向第一激光的出射方向。倍频单元可以包括非线性光学晶体6(例如kbe2bo3f2晶体)，该倍频单元设置在与第一激光的传播方向存在一定预设夹角(该预设夹角需要满足第一激光进行倍频处理所需的相位角度匹配条件)的位置处，并由caf2材质三棱镜夹持器加以固定，该三棱镜加持器的平面设置在垂直于第一激光的传播方向上；该倍频单元的底部设置在第二运动组件(例如四维电动马达)上，可对倍频单元与第一激光的传播方向的夹角进行调整，以实现对倍频单元的空间位置和相位角进行精度调节。
80.光斑整形模块包括依次设置的第一整形单元和第二整形单元：第一整形单元，用于对第二激光的光斑进行水平方向整形；第二整形单元，用于对第二激光的光斑进行竖直方向整形，预设方向包括水平方向和竖直方向。
81.具体地，第一整形单元和第二整形单元可以为平凸柱透镜组8，第一整形单元为第一平凸柱透镜，第二整形单元为第二平凸柱透镜，其中，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜依次设置在第二激光传播的垂直方向，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的平面均设置在第二激光传播的入射方向，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的柱凸面均设置在第二激光传播的出射方向。第一平凸柱透镜的柱凸面沿水平方向设置，用于对第二激光的光斑进行水平方向整形；第二平凸柱透镜的柱凸面沿竖直方向放置，用于对第二激光的光斑进行竖直方向整形。
82.更具体地，上述第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的放置间隔，以及凸面焦距可根据实际情况进行具体设置，例如第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的凸面焦距均为50厘米，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的放置间隔为10厘米。
83.本发明提供的光斑聚焦装置，通过光斑整形模块的第一整形单元对第二激光的光斑进行水平方向整形，以及第二整形单元对第二激光的光斑进行竖直方向整形，能够将椭圆形的光斑整形为圆形光斑，便于均匀聚焦，从而达到提高光斑聚焦效率的目的。
84.激光调节模块包括：依次设置第一扩束单元、滤波单元和第二扩束单元；第一扩束单元，用于对第三激光进行短程聚焦；滤波单元，用于对短程聚焦的第三激光进行滤波处理；第二扩束单元，用于对滤波处理后的短程聚焦的第三激光进行长程准直；
85.具体地，先通过一个短焦透镜进行聚焦，然后将长焦透镜的焦点设置在短焦透镜焦点处，两者配合实现扩束(只有一次扩束)。第一扩束单元起到短程聚焦的作用，第二扩束单元起到长程准直的作用。
86.具体地，第一扩束单元可以为短焦扩束平凸透镜11，第二扩束单元可以为长焦扩束平凸透镜15；滤波单元可以为光阑12，或者小光阑。
87.更具体地，短焦扩束平凸透镜11的焦距可根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，例如将短焦扩束平凸透镜11的焦距设置为5厘米；短焦扩束平凸透镜11设置在第三激光传播的垂直方向，短焦扩束平凸透镜11的凸面设置在第三激光传播的入射方向，短焦扩束平凸透镜11的平面设置在第三激光传播的出射方向。
88.更具体地，长焦扩束平凸透镜15的焦距可根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，例如将长焦扩束平凸透镜15的焦距设置为80厘米；长焦扩束平凸透镜15设置在第三激光传播的垂直方向。长焦扩束平凸透镜15的平面设置在第二激光传播的入射方向，长焦扩束平透镜的凸面设置在第二激光传播的出射方向。
89.更具体地，短焦扩束平凸透镜11、长焦扩束平凸透镜15和小光阑12的相对位置为：按照第三激光的传播方向依次设置短焦扩束平凸透镜11、小光阑12和长焦扩束平凸透镜15，其中小光阑12与长焦扩束平凸透镜15的距离与长焦扩束平凸透镜15的焦距有关(例如距离约为80厘米，小光阑12与短焦平凸透镜的距离与短焦扩束平凸透镜11的焦距有关(例如距离约为5厘米)，小光阑12的开口直径约为2毫米，放置在第三激光传播的垂直方向；用于对第三激光进行滤波处理。现有技术中基于菲涅尔波带片的聚焦方案在激光扩束后有旁瓣杂斑，会影响最终聚焦；而本发明通过在短焦扩束平凸透镜11和长焦扩束平凸透镜15之间设置光阑12，可以对第三激光进行滤波处理，最终可得到厘米级直径的均匀圆形光斑。
90.本发明提供的光斑聚焦装置，通过激光调节模块中的短焦扩束平凸透镜11和长焦扩束平凸透镜15的结合实现对第三激光的光束束径的16倍扩束，从而减弱亚微米级聚焦对
于极低激光波长的要求，使得亚微米级聚焦可以基于商用紫外激光器进行搭建，极大降低光路搭建的成本和难度。本发明提供的光斑聚焦装置，通过激光调节模块中的短焦扩束平凸透镜11、长焦扩束平凸透镜15和小光阑12三者的结合，实现对光路中产生的杂斑进行滤波，本发明提供的光斑聚焦装置可以获得更圆更均匀的扩束光斑，并且聚焦杂斑也更少，有助于提高光斑的聚焦质量。
91.聚焦模块，包括短焦聚焦透镜，用于对第四激光进行聚焦，以得到具有设定尺寸的光斑的第五激光。
92.具体地，短焦聚焦透镜的焦距可根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，例如将焦距设置为2厘米；短焦聚焦透镜设置在第四激光传播的垂直方向，短焦聚焦透镜的凸面设置在第四激光传播的入射方向，短焦聚焦透镜的平面设置在第四激光传播的出射方向，短焦聚焦透镜的光心与第四激光的光斑中心一致，其具体位置可根据实际需求确定。
93.本发明通过短焦聚焦透镜，能够将扩束后的光斑被聚焦到1微米尺寸并且可以实现亚微米级别的微结构分辨。并且现有技术中基于菲涅尔波带片的聚焦方案的聚焦强度，最强处光电流可达到约17纳安；本发明的聚焦强度，最强处光电流可达到约350纳安，通过聚焦模块提高聚焦效率后，光电管18测量得到的焦点处光电流可以达到现有方案的20倍，有效满足实际探测对光强的要求，提高探测效率。
94.在一个实施例中，装置还包括：聚焦检测模块，用于对第五激光的光斑进行检测，以调整光源模块与倍频处理模块之间、倍频处理模块与光斑整形模块之间、光斑整形模块与激光调节模块之间、激光调节模块与聚焦模块之间的光路状态。聚焦检测模块包括：光栅17，用于对第五激光进行进行遮光处理；光电管18，用于对经过遮光处理后的第五激光的光强进行实时测量；检测单元，用于根据光强的变化趋势确定光斑空间分辨率以及光斑质量；反馈调整单元，用于根据光斑质量和光斑空间分辨率的检测结果实时调整光路状态(即实时调整光源模块与倍频处理模块之间、倍频处理模块与光斑整形模块之间、光斑整形模块与激光调节模块之间、激光调节模块与聚焦模块之间)的光路状态。
95.具体地，光栅17主要起到周期性遮光和透光的作用；光栅17的栅网可以由1微米间隔的金属条组成，金属条可以遮光，金属条与金属条之间可以透光，这样在扫描时如果光斑和条纹间隔相当，则会出现周期结构来判断此时光斑大小达到了1微米。光栅17可以采用微米级光栅17结构，在透光的caf2衬底上分别沿水平方向和竖直方向周期性蒸镀宽度1微米，间隔1微米的cr涂层。光栅17设置在第五激光传播的垂直方向，光栅17底部固定在第三运动组件(例如三维马达)。
96.具体地，光电管用于实时测量透过光栅17的栅网的透过光的光强(光强在光电管中转化为光电流)，以使检测单元根据光强的变化趋势(即光电流变化趋势)确定光斑空间分辨率以及光斑质量。
97.具体地，沿第五激光的传播方向依次设置光栅17和光电管18，在第五激光的焦点处设置光栅17(该光栅17可以包括微米级光栅17网结构)，以使第五激光通过焦点处的光栅17传播到光电管18转化为光电流，并控制第三运动组件带动光栅17运动，通过扫描光栅17不同位置处的光电流大小来确定光电流变化趋势，继而可以根据光电流变化趋势确定光斑空间分辨率以及光斑质量。
98.更具体地，在确定光斑质量(即测量光斑的空间尺寸)的过程中，还可以利用刀片
斩波实现光斑尺寸扫描。如图3所示：通过将刀口移动到激光焦点附近，移动扫描刀口的空间位置，从光电管18中可以得到焦点处激光强度沿扫描方向的积分分布；对该积分分布微分后可以获得聚焦光斑沿该扫描方向的空间分布；并利用高斯线性对微分信号进行拟合，可以得到光斑的半高全宽，即为聚焦光斑沿该扫描方向的光斑大小。光斑尺寸大小沿水平方向为1.01微米，如图4所示；光斑尺寸大小沿竖直方向为0.94微米，如图5所示。考虑到刀口的不平整性，测量得到的结果会有所偏大，因此光斑实际大小在两个正交方向均小于1微米。由此可知本发明提供的光斑聚焦装置得到的光斑在竖直与水平方向的聚焦尺寸均达到亚微米级水平。
99.更具体地，在确定光斑空间分辨率的过程中，可以通过以下方法检测聚焦光斑对微米级光栅17结构的空间分辨能力，如图6所示：通过将间隔为1微米的周期性光栅17沿着与面内和聚焦激光的传播方向成45
°
夹角的方向，可以在接近焦点的同时对微米结构进行空间扫描，得到周期性振荡幅度越来越大的信号。其中振荡最大处即为光斑最小、空间分辨能力最高的焦点处，从图7中可以看到分辨的衬比度为33％左右，聚焦光斑对微米级结果具有良好的空间分辨能力。
100.更具体地，本发明提供的光斑聚焦装置可以提供更高的空间分辨率和较大的焦深。用金属光栅17网制成的竖直间隔700纳米的微结构测量光电子能谱，图8代表其光源空间分辨结果，焦深约为50微米；用金属光栅17网制成的水平间隔1微米的微结构测量光电子能谱，图9代表其光源空间分辨结果，焦深约为50微米；均可以得到较为清晰的周期性强度分布在50微米的范围内存在，从而确认本发明所提供的聚焦光斑在50微米的范围内均可以实现亚微米级的光源空间分辨。需要说明的是因为光栅17网结构和激光传播方向存在45
°
夹角，投影效应使得所探测的平面内光斑较实际值偏大，分辨效果比实际情况较差。考虑到图4和图5中的光斑尺寸测量结果，水平与竖直方向应结果一致，光斑在两个方向均在50微米的范围内可以实现亚微米级的空间分辨率。
101.本发明提供的光斑聚焦装置，通过聚焦检测模块中对光斑空间分辨率以及光斑质量进行检测，可以看出本发明具有极高的能量分辨能力和亚微米级的空间分辨能力，以及较大的焦深。
102.在一个实施例中，反馈调整单元包括多个运动控制组件；运动控制组件包括第一运动组件、第二运动组件和第三运动组件，其中第一运动组件用于调整调节单元的角度(即第一格兰-泰勒棱镜2和第二格兰-泰勒棱镜3的相对角度或者第二格兰-泰勒棱镜3的角度)，第二运动组件用于调整倍频单元与第一激光的传播方向的夹角，第三运动组件用于调整光栅17的扫描位置。当根据光电流变化趋势确定光斑空间分辨率以及光斑质量后，可以根据光斑质量检测结果控制对应运动组件来调整对应光学器件的位置状态，从而改善激光的光斑质量。
103.在一个实施例中，装置还包括：调节单元、倍频处理模块、光斑整形模块、激光调节模块、聚焦模块和聚焦检测模块均设置在氮气气体填充密封腔体内。
104.具体地，密封腔体内还可以包括惰性气体填充密封腔体、或者其他超高真空腔体。
105.在一个实施例中，密封腔体侧面设置多个接线，用于来连接腔体内的第一运动组件、第二运动组件和第三运动组件，以及腔体外的控制模块，从而对调节单元、倍频单元、滤波单元以及光栅17等物体的运动和位置状态进行控制。
106.在一个实施例中，密封腔体上部设置有两个光学观察窗口，用于观察、调整光路状态。光学观察窗口为将一个尺寸224mm*184mm*15mm和一个尺寸215mm*320mm*20mm的高纯度石英玻璃用金属压板和螺丝固定到腔体开口上，接口处放置一层橡胶圈用于维持腔体内氮气纯度，减少水氧气泄露导致的激光强度衰减。
107.在一个实施例中，装置包括反射模块，用于偏转激光的传播方向；反射模块包括第一反射镜4、第二反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜14和第五反射镜；其中第一反射镜4设置在光源模块与倍频处理模块之间，第二反射镜9和第三反射镜10设置在光斑整形模块和激光调节模块之间，第四反射镜14和第五反射镜设置在激光调节模块。
108.本发明通过设置反射模块，在腔体内进行光路偏转，可以很好地提高腔体的空间利用率。
109.在一个实施例中，五个反射镜、平凸透镜5、平凸柱透镜组8、短焦扩束平凸透镜11、长焦扩束平凸透镜15和短焦聚焦平凸透镜16均采用caf2材质；平凸透镜和平凸柱透镜组均采用未镀膜的球面透镜，用于提升激光的透射率。
110.在一个实施例中，装置还包括光束存储器7，用于收集未被倍频处理的第一激光。
111.本发明提供的光斑聚焦装置，利用基本光学元件组，实现亚微米级小光斑的聚焦方法。即：通过非线性光学晶体将波长355纳米的激光进行二倍频生成177纳米波长的激光，利用柱透镜对光斑进行整形并使用凸透镜组与光阑对光斑进行扩束与整形，得到直径约1厘米的圆形扩束光斑；配合焦距2厘米的短焦聚焦透镜，扩束斑可以被聚焦到1微米尺寸并且可以实现亚微米级别的微结构分辨。本发明提供的光斑聚焦装置可以为光谱、光电子谱等光学测量提供简便、经济以及高集成的亚微米级别的空间分辨率，具有广阔的技术运用前景。
112.本发明提供的光斑聚焦装置，可以在获取高强度激光的同时适应实际仪器对空间排布的需求；多个模块依次连接，在提供亚微米级小光斑的同时还能自行检测光斑质量，以即时调整光路状态，构成了稳定性、自我调节性以及功能性都极强的聚焦装置。
113.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种光斑聚焦装置，其特征在于，包括：光源模块，用于发出具有预设强度、预设偏振方向及第一预设波长的第一激光；倍频处理模块，用于对所述第一激光进行倍频处理，以得到具有第二预设波长的第二激光，所述第二预设波长小于所述第一预设波长；光斑整形模块，用于在预设方向上对所述第二激光进行整形，以得到具有预设形状的光斑的第三激光；激光调节模块，用于对所述第三激光进行扩束处理和滤波处理，以得到第四激光；聚焦模块，用于对所述第四激光进行聚焦，以得到具有设定尺寸的光斑的第五激光。2.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述装置还包括：聚焦检测模块，用于对所述第五激光的光斑进行检测，以根据光斑的检测结果调整光路状态；所述光路状态包括光源模块与倍频处理模块之间的光路状态、倍频处理模块与光斑整形模块之间的光路状态、光斑整形模块与激光调节模块之间的光路状态、激光调节模块与聚焦模块之间的光路状态中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述聚焦检测模块包括：光栅(17)，用于对所述第五激光进行遮光处理；光电管(18)，用于对经过遮光处理后的第五激光的光强进行实时测量；检测单元，用于根据光强的变化趋势确定光斑空间分辨率以及光斑质量；反馈调整单元，用于根据光斑质量和光斑空间分辨率的检测结果实时调整所述光路状态。4.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述光源模块包括依次设置的激光器(1)和调节单元：激光器(1)，用于出射具有第一预设波长的初始激光；调节单元，用于将所述初始激光调节为具有预设强度和预设偏振方向的第一激光。5.根据权利要求4所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述调节单元，包括依次设置的第一格兰-泰勒棱镜(2)和第二格兰-泰勒棱镜(3)：第一格兰-泰勒棱镜(2)和第二格兰-泰勒棱镜(3)，用于将所述初始激光的强度调整至预设强度；第二格兰-泰勒棱镜(3)，用于将所述初始激光的偏振方向调整至预设偏振方向。6.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述倍频处理模块包括依次设置的聚焦单元和倍频单元：聚焦单元，用于将所述第一激光聚焦至所述倍频单元；倍频单元，用于倍频产生具有第二预设波长的第二激光；其中，聚焦单元为平凸透镜(5)，倍频单元为非线性光学晶体(6)。7.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述光斑整形模块包括依次设置的第一整形单元和第二整形单元，所述预设方向包括水平方向和竖直方向：第一整形单元，用于对所述第二激光的光斑进行水平方向整形；第二整形单元，用于对所述第二激光的光斑进行竖直方向整形。8.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述激光调节模块包括依次设置第一扩束单元、滤波单元和第二扩束单元；
第一扩束单元，用于对所述第三激光进行短程聚焦；滤波单元，用于对短程聚焦的第三激光进行滤波处理；第二扩束单元，用于对滤波处理后的短程聚焦的第三激光进行长程准直。9.根据权利要求4所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述装置还包括密封腔体：所述调节单元、所述倍频处理模块、所述光斑整形模块、所述激光调节模块、所述聚焦模块和所述聚焦检测模块均设置在氮气填充的密封腔体内。10.根据权利要求1所述的光斑聚焦装置，其特征在于,所述装置包括反射模块，用于偏转激光的传播方向，以提高腔体空间利用效率；反射模块包括第一反射镜(4)、第二反射镜(9)、第三反射镜(10)、第四反射镜(14)和第五反射镜；其中第一反射镜(4)设置在光源模块与倍频处理模块之间，第二反射镜(9)和第三反射镜(10)设置在光斑整形模块和激光调节模块之间，第四反射镜(14)和第五反射镜设置在激光调节模块。

技术总结

本发明提供了一种光斑聚焦装置，包括：光源模块，用于发出具有预设强度、预设偏振方向及第一预设波长的第一激光；倍频处理模块，用于对第一激光进行倍频处理，以得到具有第二预设波长的第二激光；光斑整形模块，用于在预设方向上对第二激光进行整形，以得到具有预设形状的光斑的第三激光；激光调节模块，用于对第三激光进行扩束处理和滤波处理，以得到第四激光；聚焦模块，用于对第四激光进行聚焦，以得到具有设定尺寸的光斑的第五激光。本发明通过对光斑进行整形、过滤杂斑、以及采用平凸透镜聚焦方案，能够有效提高聚焦效率，从而很好地解决目前对光斑尺寸进行亚微米级聚焦中存在聚焦效率低的问题。焦效率低的问题。焦效率低的问题。