專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及固體材料光學(xué)吸收缺陷探測(cè)領(lǐng)域，具體是一種光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
固體材料在其加工過(guò)程中不可避免地會(huì)引入表面缺陷以及亞表面缺陷，從而影響材料在其表面及亞表面的光學(xué)吸收特性。對(duì)很多光學(xué)材料而言，例如常用于強(qiáng)激光系統(tǒng)中的熔融石英玻璃和KDP晶體等，由于在材料切割、研磨、拋光等過(guò)程中引入的污染和缺陷，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,從而使得固體材料的表面及亞表面在很多應(yīng)用中成為限制固體材料本征特性的問(wèn)題，比如在強(qiáng)激光系統(tǒng)中成為最容易被激光損傷的薄弱環(huán)節(jié)。所以探測(cè)表面及亞表面吸收缺陷，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合加工工藝改進(jìn)材料的表面及亞表面特性，有著非常重要的意義。固體材料光學(xué)表面缺陷的檢測(cè)方法有很多，包括高分辨散射測(cè)量方法，高分辨熒光測(cè)量方法，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，以及高分辨光聲顯微鏡，以及各類(lèi)高分辨光熱顯微鏡等。高分辨散射測(cè)量方法主要用于對(duì)由于光學(xué)折射率或者面形缺陷引起的不均勻性的檢測(cè)分析，而難以用于吸收缺陷的檢測(cè)分析。高分辨熒光測(cè)量方法可以較好的探測(cè)光學(xué)吸收缺陷，但是其探測(cè)的缺陷主要屬于吸收并且易于發(fā)射熒光的缺陷，對(duì)于在激光破壞過(guò)程中經(jīng)常起關(guān)鍵作用的很多吸收缺陷并不敏感。光聲及各種光熱顯微方法通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型計(jì)算，在一定程度上可以對(duì)體內(nèi)吸收缺陷與表面、亞表面吸收缺陷有所區(qū)分，但是這類(lèi)方法在深度方向的分辨能力取決于被測(cè)樣品的光熱特性、具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、以及用來(lái)進(jìn)行計(jì)算的模型的準(zhǔn)確性，因此雖然理論上可行，實(shí)際應(yīng)用中難度其實(shí)很大。而原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等高分辨手段主要探測(cè)的是樣品表面形貌及光學(xué)折射率的不均勻性，對(duì)光學(xué)吸收缺陷一般并不敏感。綜上所述，目前尚沒(méi)有一種良好的高分辨率方法能夠用來(lái)直接探測(cè)固體材料的表面及亞表面吸收缺陷，特別是吸收比較微弱的透明固體材料表面及亞表面的吸收缺陷。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，可對(duì)光熱輻射透明和不透明的樣品進(jìn)行檢測(cè)，可在微米到亞微米量級(jí)的亞表面區(qū)域獲得微米到亞微米量級(jí)的橫向分辨率，其檢測(cè)分辨率高。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，包括有相對(duì)被測(cè)樣品前表面設(shè)置的泵浦光源，設(shè)置于泵浦光源和被測(cè)樣品之間的高倍數(shù)、高數(shù)值孔徑光學(xué)聚焦系統(tǒng)，相對(duì)被測(cè)樣品后表面設(shè)置的紅外濾波器，依次設(shè)置于紅外濾波器后端的紅外信號(hào)收集系統(tǒng)和紅外探測(cè)系統(tǒng)。[0009]所述的紅外探測(cè)系統(tǒng)是由紅外探測(cè)器及放置于其前端的空間濾波器組成。所述的泵浦光源和光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間設(shè)置有泵浦激光束調(diào)制器和泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置。所述的光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置還包括有用于固定樣品的裝夾掃描裝置。本實(shí)用新型的原理為:本實(shí)用新型通過(guò)光熱輻射測(cè)量技術(shù)來(lái)獲得吸收缺陷區(qū)域的信息。光熱輻射技術(shù)是測(cè)量樣品在激光照射下產(chǎn)生的紅外輻射波的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其基本原理是:一束經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光束入射到樣品的表面，樣品吸收激光束的能量后會(huì)引起局部溫度變化，從而引起樣品的紅外熱輻射的變化。因激光照射而引起的紅外熱輻射信號(hào)與樣品的吸收直接關(guān)聯(lián)，通過(guò)測(cè)量激光照射引起的紅外熱輻射信號(hào)就可以獲得樣品的吸收特性。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為:本實(shí)用新型利用高度聚焦的泵浦激光束來(lái)激發(fā)光熱輻射技術(shù)，并根據(jù)被測(cè)材料的紅外光學(xué)特性來(lái)合理設(shè)計(jì)兩種不同的檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置，可以對(duì)被測(cè)樣品表面及亞表面光學(xué)吸收特性進(jìn)行直接探測(cè)而不受樣品體內(nèi)吸收信號(hào)的影響。根據(jù)被測(cè)樣品的特性和光路設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型可以在微米到亞微米量級(jí)的亞表面區(qū)域獲得微米到亞微米量級(jí)的橫向分辨率。而對(duì)表面及亞表面吸收缺陷大面積檢測(cè)和成像則通過(guò)對(duì)樣品二維掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1是本實(shí)用新型適用于對(duì)光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為光學(xué)聚焦系統(tǒng)，2為被測(cè)樣品前表面，3為被測(cè)樣品前亞表面區(qū)域，4為被測(cè)樣品處于泵浦激光焦深之外的內(nèi)部區(qū)域，5為紅外濾波器，6為紅外信號(hào)收集系統(tǒng)，7為紅外探測(cè)系統(tǒng)。圖2是本實(shí)用新型適用于對(duì)光熱紅外輻射不透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，8為光學(xué)聚焦系統(tǒng)，9為被測(cè)樣品探測(cè)深度以外的內(nèi)部區(qū)域，10為被測(cè)樣品后亞表面區(qū)域，11為被測(cè)樣品后表面，12為泵浦激光束在被測(cè)樣品探測(cè)深度以外的內(nèi)部區(qū)域激發(fā)的光熱紅外輻射，13為泵浦激光束在被測(cè)樣品后亞表面區(qū)域和后表面激發(fā)的光熱紅外輻射，14為紅外濾波器，15為紅外信號(hào)收集系統(tǒng)，16為紅外探測(cè)系統(tǒng)。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1中適用于對(duì)光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，17為泵浦激光器，18為泵浦激光束調(diào)制器，19為泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置，20為光學(xué)聚焦系統(tǒng)，21為被測(cè)樣品，22為紅外濾波器，23為紅外信號(hào)收集系統(tǒng)，24為紅外探測(cè)系統(tǒng)，25為樣品掃描系統(tǒng)，26為泵浦光吸收裝置。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2中適用于對(duì)光熱紅外福射不透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，27為泵浦激光器，28為泵浦激光束調(diào)制器，29為泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置，30為光學(xué)聚焦系統(tǒng)，31為被測(cè)樣品，32為紅外濾波器，33為紅外信號(hào)收集系統(tǒng)，34為紅外探測(cè)系統(tǒng)，35為樣品掃描系統(tǒng)，36為泵浦光吸收裝置。
具體實(shí)施方式
[0020]光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)方法，包括有對(duì)光熱紅外輻射透明樣品的檢測(cè)和對(duì)光熱紅外輻射不透明樣品的檢測(cè)，對(duì)光熱紅外輻射透明的樣品，其被檢測(cè)的光熱紅外輻射波段在樣品內(nèi)的吸收深度遠(yuǎn)大于樣品厚度；對(duì)光熱紅外輻射不透明的樣品，其被檢測(cè)的光熱紅外輻射波段在樣品內(nèi)的吸收深度遠(yuǎn)小于樣品的厚度；(I)、對(duì)光熱紅外輻射透明樣品的檢測(cè)，基本原理如圖1所示:a、泵浦激光束經(jīng)高倍數(shù)、高數(shù)值孔徑的光學(xué)聚焦系統(tǒng)I聚焦到被測(cè)樣品2前表面3處并進(jìn)入到被測(cè)樣品內(nèi)部，在泵浦激光束傳輸?shù)倪^(guò)程中，在焦深之內(nèi)的前表面3及前亞表面4區(qū)域，泵浦激光束將激發(fā)強(qiáng)的光熱紅外輻射，此強(qiáng)光熱紅外輻射通過(guò)被測(cè)樣品后從被測(cè)樣品后表面出射，而在焦深之外的樣品內(nèi)部區(qū)域5，泵浦激光束將很快發(fā)散，同時(shí)其所激發(fā)的光熱紅外輻射將急劇減弱；b、從被測(cè)樣品后表面出射的泵浦激光束和光熱紅外輻射通過(guò)紅外濾波器5，其中，泵浦激光束被紅外濾波器5遮擋，光熱紅外輻射通過(guò)紅外濾波器5后，由紅外信號(hào)收集系統(tǒng)6收集會(huì)聚后，再經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)7的空間濾波器進(jìn)一步濾除樣品內(nèi)部區(qū)域激發(fā)的弱光熱紅外輻射，最后在焦深之內(nèi)的前表面及前亞表面區(qū)域激發(fā)的強(qiáng)光熱紅外輻射通過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)7的空間濾波器進(jìn)入紅外探測(cè)系統(tǒng)7的紅外探測(cè)器上進(jìn)行探測(cè)分析；(2)、對(duì)光熱紅外輻射不透明樣品的檢測(cè)，基本原理如圖2所示:a、泵浦激光束經(jīng)過(guò)適當(dāng)倍數(shù)和數(shù)值孔徑的聚焦光學(xué)系統(tǒng)8聚焦到被測(cè)樣品上，焦點(diǎn)位于樣品后表面處，在泵浦激光束傳輸?shù)倪^(guò)程中，泵浦激光束在樣品內(nèi)部區(qū)域、后亞表面區(qū)域和后表面都激發(fā)了光熱紅外輻射，其中，后亞表面13的探測(cè)深度為CT1Cm, α為能夠透過(guò)紅外濾波器的光熱紅外輻射在被測(cè)樣品中的平均吸收系數(shù)；被測(cè)樣品探測(cè)深度以外的內(nèi)部區(qū)域12激發(fā)的光熱紅外輻射12因被被測(cè)樣品本身吸收而幾乎全部衰減，而在后亞表面區(qū)域13和后表面14激發(fā)的光熱紅外輻射13將透過(guò)被測(cè)樣品后表面；b、從被測(cè)樣品后表面出射的泵浦激光束和光熱紅外輻射通過(guò)紅外濾波器14，其中，泵浦激光束被紅外濾波器14遮擋，光熱紅外輻射通過(guò)紅外濾波器14，然后光熱紅外輻射經(jīng)紅外信號(hào)收集系統(tǒng)15收集匯聚后，再經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)16的空間濾波器進(jìn)一步濾除樣品內(nèi)部區(qū)域激發(fā)的殘余光熱紅外輻射12，最后在樣品后亞表面區(qū)域和后表面激發(fā)的強(qiáng)光熱紅外輻射13通過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)16的空間濾波器進(jìn)入紅外探測(cè)系統(tǒng)16的紅外探器上進(jìn)行探測(cè)分析。實(shí)施例1見(jiàn)圖3，適用于對(duì)光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，包括有相對(duì)被測(cè)樣品21前表面設(shè)置的泵浦光源17，順次設(shè)置于泵浦光源和被測(cè)樣品之間的泵浦激光束調(diào)制器18、泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置19和光學(xué)聚焦系統(tǒng)20，相對(duì)被測(cè)樣品21后表面設(shè)置的紅外濾波器22，依次設(shè)置于紅外濾波器22后端的紅外信號(hào)收集系統(tǒng)23和紅外探測(cè)系統(tǒng)24，用于掃描被測(cè)樣品21的樣品掃描系統(tǒng)25和設(shè)置于紅外濾波器22側(cè)部的泵浦光吸收裝置26 ；由泵浦光源17發(fā)出泵浦光束經(jīng)泵浦光束調(diào)制器18調(diào)制后由高倍數(shù)、高數(shù)值孔徑光學(xué)聚焦系統(tǒng)20聚焦到被測(cè)樣品表面，樣品表面處的泵浦光束焦點(diǎn)尺寸在微米量級(jí)；由樣品后表面出射的紅外輻射經(jīng)過(guò)紅外濾波器22后進(jìn)入到紅外探測(cè)系統(tǒng)24中，紅外濾波器和紅外探測(cè)系統(tǒng)的波段對(duì)所測(cè)樣品是透明的；；紅外探測(cè)系統(tǒng)24包含紅外探測(cè)器及放置于紅外探測(cè)器前端的空間濾波器，空間濾波器的小孔位置與泵浦激光束在被測(cè)樣品21表面的焦點(diǎn)是物象共軛關(guān)系，以進(jìn)一步排除來(lái)自被測(cè)樣品21內(nèi)部區(qū)域的弱光熱紅外輻射，紅外探測(cè)系統(tǒng)24接受到的紅外輻射信號(hào)在泵浦光為連續(xù)調(diào)制的條件下可以由鎖相放大器進(jìn)行分析；如果泵浦光為脈沖光源則可以采用相應(yīng)脈沖信號(hào)放大分析系統(tǒng)。由樣品后表面出射的泵浦光束經(jīng)由紅外濾波器22反射后由紅外輻射吸收裝置26吸收。樣品掃描系統(tǒng)25可以對(duì)被測(cè)樣品21進(jìn)行三維方向的移動(dòng)，其中縱向掃描主要用來(lái)調(diào)整光路，而X-Y方向的二維掃描則用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品21表面及亞表面區(qū)域的掃描成像。該系統(tǒng)適用于對(duì)相關(guān)光熱紅外輻射波段透明的樣品，它可以在樣品表面和縱深方向距離表面微米到亞微米量級(jí)的亞表面區(qū)域內(nèi)獲得微米到亞微米量級(jí)的橫向分辨率。實(shí)施例2見(jiàn)圖4，適用于對(duì)光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，包括有相對(duì)被測(cè)樣品31前表面設(shè)置的泵浦光源27，順次設(shè)置于泵浦光源和被測(cè)樣品之間的泵浦激光束調(diào)制器28、泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置29和光學(xué)聚焦系統(tǒng)30，相對(duì)被測(cè)樣品31后表面設(shè)置的紅外濾波器32，依次設(shè)置于紅外濾波器32后端的紅外信號(hào)收集系統(tǒng)33和紅外探測(cè)系統(tǒng)34，用于掃描被測(cè)樣品31的樣品掃描系統(tǒng)35和設(shè)置于紅外濾波器32側(cè)部的泵浦光吸收裝置36 ；本實(shí)施實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)樣品表面及亞表面缺陷高分辨檢測(cè)與成像的過(guò)程與實(shí)施例1類(lèi)似，所不同的是該檢測(cè)裝置適用于對(duì)相關(guān)光熱紅外輻射波段不透明樣品的檢測(cè)，可以在樣品表面和縱深方向距離表面微米到亞微米量級(jí)的亞表面區(qū)域內(nèi)獲得微米甚至亞微米量級(jí)的橫向分辨率，但它而對(duì)樣品亞表面區(qū)域內(nèi)探測(cè)深度主要?jiǎng)t取決于a-Hcm)，其中a為能夠透過(guò)紅外濾波器32的光熱紅外輻射在被測(cè)樣品中的平均吸收系數(shù)，a的具體數(shù)值取決于如下因素:樣品的紅外本征特性；紅外探測(cè)系統(tǒng)34的檢測(cè)波長(zhǎng)；以及紅外濾波器32的透過(guò)波段。
權(quán)利要求1.光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，其特征在于:包括有相對(duì)被測(cè)樣品前表面設(shè)置的泵浦光源，設(shè)置于泵浦光源和被測(cè)樣品之間的高倍數(shù)、高數(shù)值孔徑光學(xué)聚焦系統(tǒng)，相對(duì)被測(cè)樣品后表面設(shè)置的紅外濾波器，依次設(shè)置于紅外濾波器后端的紅外信號(hào)收集系統(tǒng)和紅外探測(cè)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的紅外探測(cè)系統(tǒng)是由紅外探測(cè)器及放置于其前端的空間濾波器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的泵浦光源和光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間設(shè)置有泵浦激光束調(diào)制器和泵浦激光束整形擴(kuò)束裝置
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置還包括有用于固定樣品的裝夾掃描裝置。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光學(xué)表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測(cè)裝置，是通過(guò)高度聚焦的泵浦激光照射樣品來(lái)激發(fā)樣品的紅外輻射，同時(shí)利用泵浦激光所激發(fā)的紅外輻射在特定波段對(duì)一些固體材料有一定穿透深度的物理特性來(lái)獲得固體材料表面及亞表面對(duì)泵浦激光的光學(xué)吸收特性。通過(guò)掃描樣品，本裝置可以在樣品表面和亞表面區(qū)域內(nèi)獲得微米到亞微米量級(jí)的橫向分辨率，適用于光熱無(wú)損探傷、光熱精密檢測(cè)、光熱顯微成像與缺陷分析、特別是用于強(qiáng)激光系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件缺陷檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/88GK203069523SQ20132004835
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān), 王煒, 黃明 申請(qǐng)人:合肥知常光電科技有限公司