專利名稱：一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光熱檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
利用激光誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)的基本原理是基于材料在光(以下稱泵浦光)的作用下表面因吸收光能量導(dǎo)致局部溫度升高，從而發(fā)生形變。這種熱形變的空間分布及其隨時(shí)間的變化與泵浦光參數(shù)和材料特性緊密相關(guān)。而且，由于這種表面熱形變，從材料表面反射出來(lái)的光的傳播特性會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)，就像新増加了ー個(gè)透鏡。因此，這種表面熱形變效應(yīng)又稱為表面熱透鏡效應(yīng)。利用表面熱形變效應(yīng)進(jìn)行材料特性檢測(cè)和分析的最為常見(jiàn)的方法是利用一束振幅經(jīng)過(guò)調(diào)制的泵浦光照射被測(cè)樣品表面誘導(dǎo)產(chǎn)生熱形變，同時(shí)利用另一束探測(cè)光經(jīng)過(guò)樣品表面熱形變區(qū)域來(lái)探測(cè)泵浦光引起的表面熱形變。測(cè)量時(shí)，在反射回來(lái)的探測(cè)光光路中加入ー個(gè)空間濾波器，經(jīng)過(guò)空間濾波器后到達(dá)光電探測(cè)器的探測(cè)光能量會(huì)因?yàn)楸砻鏌嵝巫儗?duì)探測(cè)光的會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)而變化。實(shí)際測(cè)量中，為提高響應(yīng)，通常需要利用鎖相技木。而對(duì)樣品的ニ維成像則是通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來(lái)獲得。這種ニ維掃描成像方法可以獲得較高的分辨率，在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件下近似受限于泵浦光/探測(cè)光的衍射極限，比較容易達(dá)到亞微米量級(jí)。但是，這種ニ維掃描成像方法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信號(hào)較弱，對(duì)每ー個(gè)樣品點(diǎn)都要進(jìn)行一定時(shí)間的鎖相積分；另一方面，樣品毎次移動(dòng)都需要花費(fèi)一定的移動(dòng)和等待時(shí)間，后者是為了使整個(gè)系統(tǒng)從機(jī)械震動(dòng)到局部溫度都能達(dá)到新的平衡。這樣一般情況下獲得一幅5微米橫向分辨率的500微米X 500微米的圖像需要近一小時(shí)的時(shí)間。如果樣品吸收微弱，則要增加積分時(shí)間，成像時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)。這個(gè)缺點(diǎn)極大地限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置，解決利用表面熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行ニ維成像過(guò)程中需要逐點(diǎn)掃描，從而耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，包括以下步驟
(I)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測(cè)樣品照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面形變；、(2)、將探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面，且探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光均與泵浦光束組的每一束泵浦光對(duì)應(yīng)在空間上重合；
(3)、由被測(cè)樣品出射的探測(cè)光束組進(jìn)入光電探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量表面熱形變引起的探測(cè)光束傳播特性的變化獲得材料表面特性的ニ維圖像。所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過(guò)調(diào)制器后，每一束泵浦光束的調(diào)制頻率各不相同，此泵浦光束組再經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面；所述的用于檢測(cè)探測(cè)光的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。對(duì)經(jīng)過(guò)空間濾波器的探測(cè)光束的檢測(cè)可以有兩種不同的方法，具體描述如下 方法一對(duì)經(jīng)過(guò)空間濾波器的探測(cè)光束組用ー個(gè)光電探測(cè)器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這樣在單
一光電探測(cè)器上或得的信號(hào)是整個(gè)探測(cè)光束組信號(hào)的疊加，是樣品上同時(shí)被測(cè)的多個(gè)區(qū)域信息的混合。要想利用一個(gè)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)ニ維成像，需要每一束探測(cè)光產(chǎn)生的信號(hào)在探測(cè)器上是可分辨的。。這可以通過(guò)對(duì)每一束泵浦光施加不同頻率的調(diào)制，再在探測(cè)端，利·用鎖相檢測(cè)及頻率掃描技木，就可以把每一束泵浦光造成的表面熱形變信號(hào)(像素)分辨出來(lái)，從而不通過(guò)逐點(diǎn)掃描就可以獲得ニ維表面熱形變信號(hào)圖像。方法ニ 對(duì)從空間濾波器陣列出射的探測(cè)光束陣列用光電探測(cè)器陣列來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，即每一束探測(cè)光分別對(duì)應(yīng)進(jìn)入ー個(gè)光電探測(cè)器。這樣在每ー個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)對(duì)應(yīng)樣品上每一點(diǎn)，從而無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行掃描就可以獲得ニ維表面熱形變信號(hào)圖像。這種情況下泵浦光的調(diào)制頻率可以是相同的，也可以是不同的。在探測(cè)終端，利用并行處理電路來(lái)進(jìn)行處理，就可以把每一束泵浦光造成的表面熱形變信號(hào)(像素)分辨出來(lái)。所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測(cè)光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡ー輸入端輸入后和所述的探測(cè)光束組經(jīng)分色鏡另ー輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射于被測(cè)樣品表面。所述的步驟3中照射完被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組反射到探測(cè)光聚焦透鏡后再經(jīng)過(guò)空間濾波器和探測(cè)光濾光片，最后進(jìn)入光電探測(cè)器。一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源和探測(cè)光源，位于泵浦光源和探測(cè)光源后端的樣品臺(tái)和順次設(shè)置的空間濾波器、探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器；從所述的泵浦光源至樣品臺(tái)之間順次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測(cè)光源至樣品臺(tái)之間順次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、分色鏡和聚焦成像透鏡；所述的四分之一波片設(shè)置于偏振分光鏡ー輸出端的后端；所述的空間濾波器設(shè)置于偏振分光鏡另ー輸出端的后端；所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列。所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。所述的基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置還包括有探測(cè)光聚焦透鏡，所述的探測(cè)光聚焦透鏡設(shè)置于偏振分光鏡和空間濾波器之間或設(shè)置于空間濾波器的后端。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描方法可以有很大提高，另外由于無(wú)需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，具體檢測(cè)及成像儀器設(shè)計(jì)可以避免使用移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)ー步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。


本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式見(jiàn)圖1，一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源I和探測(cè)光源2，位于泵浦光源I和探測(cè)光源2后端的樣品臺(tái)3，順次設(shè)置于泵浦光源I至樣品臺(tái)3之間的泵浦光衍射分光裝置4、陣列光調(diào)制器5、分色鏡6和聚焦成像透鏡7，順次設(shè)置于探測(cè)光源2至樣品臺(tái)3之間的探測(cè)光衍射分光裝置8、偏振分光鏡9、四分之一波片10、分色鏡6和聚焦成像透鏡7，順次設(shè)置于偏振分色鏡9的后端的探測(cè)光聚焦透鏡11、空間濾波器12、探測(cè)光濾光片13和光電探測(cè)器14 ;其中，四分之一波片10設(shè)置于偏振分色鏡9透射輸出端的后端；探測(cè)光聚焦透鏡11設(shè)置于偏振分光鏡9反射輸出端的后端。探測(cè)光濾光片13的作用為遮擋雜散光，理論上只有探測(cè)光可以通過(guò)。 見(jiàn)圖1，一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法包括以下步驟
(1)、將被測(cè)樣品15至于樣品臺(tái)3上；
(2)、泵浦光源I發(fā)出的泵浦光經(jīng)泵浦光衍射分光裝置4分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組再經(jīng)陣列光調(diào)制器5后或得調(diào)制，每一束光的調(diào)制頻率可以視探測(cè)終端的具體情況來(lái)確定如果使用單一光電調(diào)制器，則每一束光的調(diào)制頻率各不相同；如果使用光電探測(cè)器陣列，則每一束光的調(diào)制頻率可以相同；此泵浦光束組再經(jīng)分色鏡6反射，并通過(guò)聚焦成像透鏡7后會(huì)聚后照射被測(cè)樣品15表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測(cè)樣品15照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面變形；
(3)、探測(cè)光源2發(fā)出的探測(cè)光經(jīng)探測(cè)光衍射分光裝置8分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組依次經(jīng)偏振分光鏡9、四分之一波片10、分色鏡6，然后由聚焦成像透鏡7會(huì)聚后照射被測(cè)樣品15表面，且探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光均與泵浦光束組的每一束泵浦光在空間上重合；
(4)、由被測(cè)樣品15反射出來(lái)的探測(cè)光束組，再經(jīng)過(guò)聚焦成像透鏡7、分色鏡6、四分之一波片10，然后由偏振分光鏡9反射并經(jīng)探測(cè)光聚焦透鏡11會(huì)聚調(diào)整、經(jīng)過(guò)空間濾波器12、探測(cè)光濾光片13后進(jìn)入光電探測(cè)器14測(cè)得探測(cè)光二維表面熱形變信號(hào)圖像。光電探測(cè)器14的輸出信號(hào)利用鎖相檢測(cè)技術(shù)探測(cè)。此時(shí)，以與某一被調(diào)制的泵浦光束的調(diào)制頻率相同的交流信號(hào)作為鎖相檢測(cè)的參考信號(hào)，這樣只有該泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的表面熱形變信號(hào)能夠被鎖相放大器測(cè)出，其它泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)都被濾掉。依次改變參考信號(hào)的頻率，就可以獲得對(duì)應(yīng)的泵浦光束激發(fā)的表面熱形變信號(hào)。再根據(jù)泵浦光束的編號(hào)以及對(duì)應(yīng)測(cè)得的信號(hào)，獲得空間分辨的ニ維圖像。實(shí)際使用中也可以利用多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器對(duì)每一束探測(cè)光進(jìn)行并行測(cè)量，以節(jié)省依次改變參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間，進(jìn)ー步提高成像速度。
權(quán)利要求
1.一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測(cè)樣品照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面形變； (2)、將探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面，且探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光均與泵浦光束組的每一束泵浦光對(duì)應(yīng)在空間上重合； (3)、由被測(cè)樣品出射的探測(cè)光束組進(jìn)入光電探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量表面熱形變引起的探測(cè)光束傳播特性的變化獲得材料表面特性的二維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過(guò)調(diào)制器后，每一束泵浦光束的調(diào)制頻率各不相同，此泵浦光束組再經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面；所述的用于檢測(cè)探測(cè)光的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測(cè)光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡一輸入端輸入后和所述的探測(cè)光束組經(jīng)分色鏡另一輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射于被測(cè)樣品表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的步驟3中照射完被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組反射到探測(cè)光聚焦透鏡后再經(jīng)過(guò)空間濾波器和探測(cè)光濾光片，最后進(jìn)入光電探測(cè)器。
5.一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源和探測(cè)光源，位于泵浦光源和探測(cè)光源后端的樣品臺(tái)和順次設(shè)置的空間濾波器、探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器；其特征在于從所述的泵浦光源至樣品臺(tái)之間順次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測(cè)光源至樣品臺(tái)之間順次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、分色鏡和聚焦成像透鏡；所述的四分之一波片設(shè)置于偏振分光鏡一輸出端的后端；所述的空間濾波器設(shè)置于偏振分光鏡另一輸出端的后端；所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，其特征在于所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，其特征在于所述的基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置還包括有探測(cè)光聚焦透鏡，所述的探測(cè)光聚焦透鏡設(shè)置于偏振分光鏡和空間濾波器之間或設(shè)置于空間濾波器的后端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置，首先將泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組照射被測(cè)樣品表面引起被測(cè)樣品局部表面變形；將探測(cè)光也分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組照射被測(cè)樣品表面，每一束探測(cè)光束對(duì)應(yīng)與一束泵浦光束重合；由被測(cè)樣品出射的探測(cè)光束組最后進(jìn)入光電探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量表面熱形變引起的探測(cè)光束傳播特性的變化，獲得材料表面特性的二維圖像。本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品逐點(diǎn)掃描方法可以有很大提高，另外由于無(wú)需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，具體檢測(cè)及成像儀器設(shè)計(jì)可以避免使用移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102680407SQ201210198138
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān) 申請(qǐng)人:合肥知常光電科技有限公司