專利名稱：光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件表面及亞表面缺陷的檢測方法領(lǐng)域，具體是一種光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
在高功率或者高能量的強激光系統(tǒng)及其應(yīng)用過程中，光學(xué)元件的激光破壞閾值常常是制約相關(guān)系統(tǒng)運行水平的關(guān)鍵因素。這些光學(xué)元件的激光破壞閾值常常遠(yuǎn)低于用來制作該元件的材料本征破壞閾值。以用于激光慣性約束核聚變系統(tǒng)中的大口徑熔融石英元件為例，其在355納米紫外激光波段的破壞閾值遠(yuǎn)低于用來制作該元件的純石英材料的本征閾值，是制約相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)的關(guān)鍵因素之一。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是在光學(xué)元件的加工過程中，如切割、研磨、拋光等，不可避免的會引入各種缺陷和污染，特別是在元件的表面及亞表面區(qū)域，導(dǎo)致其表面及亞表面的光學(xué)質(zhì)量往往比相關(guān)材料的本征特性差得很多，從而使得相關(guān)元件的表面及亞表面在強激光應(yīng)用中成為限制元件性能的瓶頸，成為最容易發(fā)生激光破壞的薄弱環(huán)節(jié)。光學(xué)兀件表面及亞表面缺陷的檢測方法有很多，包括光學(xué)顯微鏡，光學(xué)散射檢測方法，激光激發(fā)突光測量方法，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場光學(xué)顯微鏡，以及光聲顯微鏡及光熱顯微鏡等。但以上大多數(shù)檢測方法只對一些樣品上的面形缺陷及折射率不均勻性能夠進(jìn)行有效檢測，對于在激光破壞過程中經(jīng)常起關(guān)鍵作用的很多吸收缺陷并不敏感。目前，常用的針對吸收缺陷的檢測的方法有激光誘導(dǎo)光熱輻射檢測技術(shù)。該技術(shù)可分為兩大類。第一類是利用單點探測器，通過逐點掃描來進(jìn)行顯微成像，從而獲得樣品的二維圖像。該方法的優(yōu)點是每一點信噪比好，檢測靈敏度高，成像的分辨率決定于激發(fā)激光光斑，也可以做到較高，比如在355納米泵浦激光波長條件下可以比較容易地獲得亞微米橫向分辨率；缺點是成像需要對樣品進(jìn)行逐點掃描，成像速度很慢。對大口徑光學(xué)元件來說，該方法難以滿足實際需求。第二類是利用紅外探測器陣列(例如紅外相機等)直接獲得樣品的二維圖像。該方法的優(yōu)點是成像速度快；缺點是成像分辨率取決于紅外探測器陣列及其相關(guān)紅外成像系統(tǒng)，與逐點掃描方法相比，分辨率較低，靈敏度也較低，對微弱吸收缺陷無法有效識別。綜上所述，目前尚沒有一種良好的檢測方法能夠用來直接探測大口徑光學(xué)元件的表面及亞表面吸收缺陷，特別是吸收比較微弱的透明光學(xué)元件的表面及亞表面吸收缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置，將紅外成像技術(shù)與鎖相放大檢測技術(shù)結(jié)合，通過利用受調(diào)制的泵浦激光激發(fā)樣品產(chǎn)生周期性紅外輻射，利用紅外探測陣列來探測所產(chǎn)生的紅外輻射，并對紅外探測陣列的信號進(jìn)行鎖相放大檢測，獲得有關(guān)樣品缺陷的高分辨的圖像信息，同時利用所激發(fā)的紅外輻射在選定波段對一些光學(xué)材料穿透深度非常有限的物理特性來排除樣品體內(nèi)紅外信號對檢測結(jié)果的影響，從而只對光學(xué)元件樣品表面及亞表面的吸收缺陷分布進(jìn)行成像檢測。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，包括以下步驟:
(1)、用經(jīng)過調(diào)制的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光學(xué)元件內(nèi)部并從后表面出射，光學(xué)元件的前表面及前亞表面區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域、后表面及后亞表面都會因為光學(xué)元件對泵浦光束能量的吸收而產(chǎn)生局部溫度升高并進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射；
(2)、光學(xué)元件的前表面及前亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對光學(xué)元件的前表面設(shè)置的第一紅外成像裝置收集、并經(jīng)過第一紅外濾波裝置濾波后入射到第一紅外探測器陣列上進(jìn)行成像探測分析，第一紅外探測器陣列進(jìn)行探測的時候，用調(diào)制泵浦光的同樣的調(diào)制信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第一紅外探測器陣列獲得的信號進(jìn)行鎖相放大檢測以實現(xiàn)高靈敏探測；
(3)、光學(xué)元件的后表面及后亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對光學(xué)元件的后表面設(shè)置的第二紅外成像裝置收集、并經(jīng)過第二紅外濾波裝置濾波后入射到第二紅外探測器陣列上進(jìn)行探測分析，第二紅外探測器陣列進(jìn)行探測的時候，用調(diào)制泵浦光的同樣的調(diào)制信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第二紅外探測器陣列獲得的信號進(jìn)行鎖相放大檢測以實現(xiàn)高靈敏探測。所述的光學(xué)元件前、后表面進(jìn)行分區(qū)域的二維掃描，從而實現(xiàn)對光學(xué)元件表面全覆蓋的成像檢測。光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，包括有相對光學(xué)元件前表面設(shè)置的泵浦光源，設(shè)置于泵浦光源發(fā)射端和光學(xué)元件前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置，相對光學(xué)元件前表面設(shè)置的第一紅外成像裝置，依次設(shè)置于第一紅外成像裝置后端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測器陣列，相對光學(xué)元件后表面設(shè)置的第二紅外成像裝置，依次設(shè)置于第二紅外成像裝置后端的第二紅外濾波裝置和第二紅外探測器陣列，分別與泵浦光束調(diào)制裝置、第一紅外探測器陣列、第二紅外探測器陣列連接的鎖相放大檢測裝置。所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有設(shè)置于泵浦光束調(diào)制裝置和光學(xué)元件前表面之間的泵浦光束整形處理裝置。所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有相對光學(xué)元件后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有用于固定光學(xué)元件的樣品裝夾掃描裝置。本發(fā)明中所采用的鎖相放大檢測，利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻(或者倍頻)、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。本發(fā)明利用鎖相放大檢測的這一優(yōu)點，將該技術(shù)與紅外成像技術(shù)結(jié)合，大幅度提高了紅外探測陣列的檢測靈敏度。其對樣品表面溫升的檢測靈敏度可以達(dá)到毫開爾文UK)甚至微開爾文(μ K)水平，能夠滿足對多數(shù)光學(xué)元件微弱吸收檢測的靈敏度要求。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)只對表面及亞表面吸收缺陷進(jìn)行檢測，是利用了激光激發(fā)紅外輻射在選定波段對一些光學(xué)材料的穿透深度非常有限這一物理特性。即在檢測時，所測樣品對所選擇的紅外波段是強烈吸收的，選用適合該波段的濾波裝置和探測器陣列，這樣樣品內(nèi)部受激光激發(fā)產(chǎn)生的選定波段的紅外輻射將被樣品本身吸收，無法到達(dá)成像檢測系統(tǒng)。只有在距表面深度為a-Hem)(探測深度)的樣品區(qū)域內(nèi)受激光激發(fā)產(chǎn)生的選定波段的紅外輻射能夠透過樣品表面到達(dá)成像檢測系統(tǒng)，其中a (cm-1)為樣品在選定紅外波段的平均吸收系數(shù)。對一些常用光學(xué)材料，如熔融石英等，在一些紅外波段，探測深度可以達(dá)到微米甚至亞微米量級。本發(fā)明的以上特點使得本發(fā)明特別適合特大型高功率激光系統(tǒng)中常用的大口徑光學(xué)元件，如熔融石英、KDP晶體、BK7玻璃、以及一些相關(guān)薄膜元件的表面及亞表面吸收缺陷的檢測與成像。本發(fā)明采用紅外探測器陣列對光學(xué)元件樣品受激產(chǎn)生的紅外輻射進(jìn)行檢測，能夠直接獲得關(guān)于光學(xué)元件樣品缺陷分布的二維圖像，與傳統(tǒng)采用單點探測器進(jìn)行二維逐點掃描來獲取缺陷分布圖像相比，速度更快，效率更高。使用本發(fā)明，即使是對大口徑光學(xué)元件進(jìn)行檢測，也只需對樣品進(jìn)行分區(qū)掃描。以典型的大口徑熔融石英元件為例，其通光口徑大約為0.5米X 0.5米。如果需要對其表面及亞表面吸收缺陷進(jìn)行全覆蓋檢測，并且空間分辨率要求10微米(即每10微米X 10微米取樣一點)，用傳統(tǒng)的光熱測量方法把整個樣品掃描一遍將需要347222.2小時(假設(shè)每一點移動準(zhǔn)備及積分測量時間累計只需500毫秒)，亦即14467.6天或者說39.64年，這在實際應(yīng)用中是根本不現(xiàn)實的。使用基于本發(fā)明的成像方法及裝置，假設(shè)使用1280 X 1024 pixels紅外陣列探測器、紅外光學(xué)系統(tǒng)成像分辨率為10微米(即每10微米X 10微米對應(yīng)一個成像點)，那么如果每幅圖像樣品移動準(zhǔn)備及鎖相積分時間為100秒，整幅掃描測量同樣的樣品只需要52.98個小時，變得切實可行；如果每幅圖像樣品移動準(zhǔn)備及鎖相積分時間為10秒，整幅掃描成像同樣的樣品只需要5.3個小時，變得更為快捷。本發(fā)明也可以應(yīng)用于中小型口徑光學(xué)元件測量。在用于中小型口徑光學(xué)元件時，本發(fā)明可以在保持測量速度適當(dāng)?shù)那闆r下大幅度降低對泵浦光源的功率要求，從而大幅度降低相關(guān)測量系統(tǒng)的成本、體積和重量。


圖1是本發(fā)明光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置的應(yīng)用原理圖。
具體實施例方式見圖1，光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，包括有相對光學(xué)元件4前表面設(shè)置的泵浦光源1，順次設(shè)置于泵浦光源I發(fā)射端和光學(xué)元件4前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置2和泵浦光束整形處理裝置3，相對光學(xué)元件4后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置5，相對光學(xué)元件4前表面設(shè)置的第一紅外成像裝置6，依次設(shè)置于第一紅外成像裝置7后端的第一紅外濾波裝置7和第一紅外探測器陣列8，相對光學(xué)元件I后表面設(shè)置的第二紅外成像裝置9，依次設(shè)置于第二紅外成像裝置9后端的第二紅外濾波裝置10和第二紅外探測器陣列11，用于固定光學(xué)元件4的樣品裝夾掃描裝置12，分別與泵浦光束調(diào)制裝置2、第一紅外探測器陣列8、第二紅外探測器陣列11連接的鎖相放大檢測裝置13。見圖1，光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，包括以下步驟:
由泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束依次經(jīng)過泵浦光束調(diào)制裝置2、泵浦光束整形處理裝置3
后，入射到待測光學(xué)元件4上，并在經(jīng)過光學(xué)元件4后由泵浦光吸收裝置5吸收。根據(jù)具體的檢測實驗需要，泵浦光束整形處理后可以是會聚到待測光學(xué)元件4表面的聚焦光，也可以是平行光。泵浦光束在待測光學(xué)元件4前表面及前亞表面區(qū)域產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)過第一紅外成像裝置6收集、并經(jīng)過第一紅外濾波裝置7濾波后入射到第一紅外探測器陣列8上進(jìn)行成像探測分析；待測光學(xué)元件4后表面及后亞表面區(qū)域產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)過第二紅外成像裝置9收集、并經(jīng)過第二紅外濾波裝置10濾波后入射到第二紅外探測器陣列11上進(jìn)行成像探測分析。在探測時，對第一紅外探測器陣列8和第二紅外探測器陣列11進(jìn)行鎖相檢測，即利用調(diào)制泵浦光的同樣的調(diào)制信號作為鎖相放大檢測裝置13的參考信號，第一紅外探測器陣列8和第二紅外探測器陣列11所測得的信號由鎖相放大檢測裝置13進(jìn)行檢測，并由圖像采集處理終端進(jìn)行采集處理，以獲得關(guān)于樣品表面及亞表面區(qū)域的缺陷分布的圖像信息。利用鎖相放大檢測裝置進(jìn)行檢測時，積分時間可以根據(jù)信號強弱及信噪比大小來進(jìn)行選擇。待測光學(xué)元件4裝夾在樣品裝夾掃描裝置12上，可以通過移動待測光學(xué)元件4來實現(xiàn)一幅一幅的二維成像，實現(xiàn)對待測光學(xué)元件4前后表面區(qū)域的全覆蓋檢測。
權(quán)利要求
1.光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)、用經(jīng)過調(diào)制的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光學(xué)元件內(nèi)部并從后表面出射，光學(xué)元件的前表面及前亞表面區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域、后表面及后亞表面都會因為光學(xué)元件對泵浦光束能量的吸收而產(chǎn)生局部溫度升高并進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射； (2)、光學(xué)元件的前表面及前亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對光學(xué)元件的前表面設(shè)置的第一紅外成像裝置收集、并經(jīng)過第一紅外濾波裝置濾波后入射到第一紅外探測器陣列上進(jìn)行成像探測分析，第一紅外探測器陣列進(jìn)行探測的時候，用調(diào)制泵浦光的同樣的調(diào)制信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第一紅外探測器陣列獲得的信號進(jìn)行鎖相放大檢測以實現(xiàn)高靈敏探測； (3)、光學(xué)元件的后表面及后亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對光學(xué)元件的后表面設(shè)置的第二紅外成像裝置收集、并經(jīng)過第二紅外濾波裝置濾波后入射到第二紅外探測器陣列上進(jìn)行探測分析，第二紅外探測器陣列進(jìn)行探測的時候，用調(diào)制泵浦光的同樣的調(diào)制信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第二紅外探測器陣列獲得的信號進(jìn)行鎖相放大檢測以實現(xiàn)高靈敏探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，其特征在于:所述的光學(xué)元件前、后表面進(jìn)行分區(qū)域的二維掃描，從而實現(xiàn)對光學(xué)元件表面全覆蓋的成像檢測。
3.光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特征在于:包括有相對光學(xué)元件前表面設(shè)置的泵浦光源，設(shè)置于泵浦光源發(fā)射端和光學(xué)元件前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置，相對光學(xué)元件前表面設(shè)置的第一紅外成像裝置，依次設(shè)置于第一紅外成像裝置后端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測器陣列，相對光學(xué)元件后表面設(shè)置的第二紅外成像裝置，依次設(shè)置于第二紅外成 像裝置后端的第二紅外濾波裝置和第二紅外探測器陣列，分別與泵浦光束調(diào)制裝置、第一紅外探測器陣列、第二紅外探測器陣列連接的鎖相放大檢測>j-U ρ α裝直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特征在于:所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有設(shè)置于泵浦光束調(diào)制裝置和光學(xué)元件前表面之間的泵浦光束整形處理裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特征在于:所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有相對光學(xué)元件后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特征在于:所述的光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有用于固定光學(xué)元件的樣品裝夾掃描裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置，該方法及裝置將紅外成像技術(shù)與鎖相放大檢測技術(shù)結(jié)合，通過利用受調(diào)制的泵浦激光激發(fā)樣品產(chǎn)生周期性紅外輻射，利用紅外探測陣列來探測所產(chǎn)生的紅外輻射，并對紅外探測陣列的信號進(jìn)行鎖相放大檢測，獲得有關(guān)樣品缺陷的高分辨的圖像信息，同時利用所激發(fā)的紅外輻射在選定波段對一些光學(xué)材料穿透深度非常有限的物理特性來排除樣品體內(nèi)紅外信號對檢測結(jié)果的影響，從而只對樣品表面及亞表面的吸收缺陷分布進(jìn)行成像檢測。該方法和裝置適用于光學(xué)元件表面及亞表面吸收缺陷檢測與成像，特別適合特大型高功率激光系統(tǒng)中常用的大口徑光學(xué)元件表面及亞表面吸收缺陷的檢測與成像。
文檔編號G01N21/88GK103149217SQ20131007715
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者吳周令, 陳堅, 黃明 申請人:合肥知常光電科技有限公司