一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，該檢測裝置包括分別與被測樣品光路連接的泵浦光源、探測光源和光電探測器，所述光電探測器連接有鎖相檢測單元，所述泵浦光源與被測樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，所述探測光源與被測樣品之間設(shè)有探測光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成。本實用新型通過對泵浦光和探測光分別進(jìn)行調(diào)制并采用級聯(lián)的鎖相檢測單元進(jìn)行檢測，與單調(diào)制的情況相比，大大降低了檢測到的噪聲，提高了檢測過程的靈敏度和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光熱檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)光熱技術(shù)(Laser-1nduced photo thermal technique)因為其高靈敏度、高分辨率、非接觸式等特點，常被用來對各類材料的光熱特性、特別是透明光學(xué)材料的微弱吸收特性進(jìn)行分析和檢測。
[0003]光熱技術(shù)的基本原理是:一束較強的激光(泵浦光)經(jīng)過材料，材料會因吸收光能量而導(dǎo)致局部溫度升高,從而引起材料的局部物理特性發(fā)生改變,例如折射率變化、產(chǎn)生熱形變等。在泵浦光一定的情況下，這些物理特性的變化與材料本身的吸收特性是相關(guān)的。通過對這些物理特性變化的檢測可以獲得材料的吸收特性。光熱技術(shù)中常用的檢測方法是用另一束較弱的激光束(探測光)經(jīng)過泵浦光在材料上的照射區(qū)域，由于泵浦光照射而引起的光熱效應(yīng)，探測光束的光束特性會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對這種變化的檢測來獲得該區(qū)域的材料特性。常見的有光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)，即因為光熱效應(yīng)引起探測光傳播方向發(fā)生變化；光熱透鏡技術(shù)，即光熱效應(yīng)弓丨起探測光產(chǎn)生新增的會聚或發(fā)散，類似增加了一個“透鏡”。
[0004]在利用光熱檢測技術(shù)對材料吸收特性進(jìn)行檢測分析時，由于光熱效應(yīng)所引起的探測光束特性的變化量往往比較小，甚至小于探測光束本身的噪聲波動，因此一般需要利用鎖相放大技術(shù)來進(jìn)行檢測。通過對泵浦光進(jìn)行周期性的調(diào)制，并以此調(diào)制信號作為鎖相放大器的參考信號，利用鎖相放大器來探測目標(biāo)信號。采用這種方法，大大抑制探測光束本身的噪聲以及外部環(huán)境噪聲等對測量結(jié)果的影響，可以獲得比較好的檢測靈敏度。
[0005]但是，這種方法在實際應(yīng)用中還存在一些問題:首先，泵浦光路的噪聲沒有消除，包括泵浦光本身的光路波動引起的噪聲以及泵浦光在與材料相互作用時激發(fā)產(chǎn)生的散射光、熒光等。由于泵浦光本身受到了調(diào)制，這些噪聲源也相應(yīng)地受到了調(diào)制，有時會對檢測結(jié)果產(chǎn)生很大的干擾，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，一般激光器的噪聲與調(diào)制信號頻率的關(guān)系遵循ι/f的規(guī)律，調(diào)制信號頻率越高，對應(yīng)的噪聲就越小。理論上，采用高頻信號調(diào)制可以大大抑制噪聲，但是對光熱技術(shù)來說，光熱效應(yīng)的激發(fā)產(chǎn)生需要一定的時間過程，如果泵浦光的調(diào)制信號頻率過高，會導(dǎo)致有效的光熱信號大大降低。因此，一般采用較低的調(diào)制信號頻率對泵浦光進(jìn)行調(diào)制，通常在幾十赫茲左右。在低調(diào)制信號頻率下，噪聲比較大，將會影響整個檢測過程的靈敏度。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的在于提供一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，改善光熱吸收檢測的信噪比，提高檢測的靈敏度。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案為:
[0008]一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，包括分別與被測樣品光路連接的泵浦光源、探測光源和光電探測器，所述光電探測器連接有鎖相檢測單元，所述泵浦光源與被測樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，所述探測光源與被測樣品之間設(shè)有探測光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成；所述探測光調(diào)制裝置的調(diào)制信號頻率用于第一鎖相放大器的參考信號頻率，所述泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號頻率用于第二鎖相放大器的參考信號頻率；所述光電探測器的輸出端與第一鎖相放大器的輸入端連接，所述第一鎖相放大器的輸出端與第二鎖相放大器的輸入端連接，所述第二鎖相放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集終端連接。
[0009]所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，所述泵浦光調(diào)制裝置和探測光調(diào)制裝置選用光調(diào)制器或者斬波器。
[0010]所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，所述探測光調(diào)制裝置與被測樣品之間設(shè)有探測光第一會聚裝置，所述被測樣品與光電探測器之間依次設(shè)有探測光第二會聚裝置、探測光高反射鏡、探測光濾光裝置、探測光分光裝置和空間濾波器；所述探測光分光裝置的反射光路上設(shè)有探測光功率探測裝置。
[0011]所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，所述泵浦光源與泵浦光調(diào)制裝置之間設(shè)有泵浦光分光裝置，所述泵浦光分光裝置的反射光路上設(shè)有泵浦光功率探測裝置。
[0012]所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，所述泵浦光調(diào)制裝置與被測樣品之間設(shè)有泵浦光會聚裝置，所述被測樣品的后端設(shè)有泵浦光吸收裝置。
[0013]由上述技術(shù)方案可知，本實用新型通過對泵浦光和探測光分別進(jìn)行調(diào)制并采用級聯(lián)的鎖相檢測單元進(jìn)行檢測，與單調(diào)制的情況相比，大大降低了檢測到的噪聲，提高了檢測過程的靈敏度和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中采用單調(diào)制鎖相檢測的原理示意圖；
[0016]圖3是本實用新型采用雙調(diào)制級聯(lián)鎖相檢測的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，包括泵浦光源1、泵浦光分光裝置2、泵浦光功率探測裝置3、泵浦光調(diào)制裝置4、泵浦光聚焦透鏡5、被測樣品6、泵浦光吸收裝置7、探測光源8、探測光第一高反射鏡9、探測光第二高反射鏡10、探測光調(diào)制裝置
11、探測光第一聚焦透鏡12、探測光第二聚焦透鏡13、探測光第三高反射鏡14、探測光濾光裝置15、探測光分光裝置16、探測光功率探測裝置17、空間濾波器18、光電探測器19、第一鎖相放大器20、第二鎖相放大器21和數(shù)據(jù)采集終端22。泵浦光分光裝置2和探測光分光裝置16可選用分光片或者分光棱鏡，泵浦光功率探測裝置3和探測光功率探測裝置17可選用功率計或者功率探測器，泵浦光調(diào)制裝置4和探測光調(diào)制裝置11可選用光調(diào)制器或者斬波器，探測光濾光裝置15可選用濾光片。
[0018]由泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束經(jīng)過泵浦光分光裝置2被分成兩束，其中一束進(jìn)入到泵浦光功率探測裝置3，用于對泵浦光的功率進(jìn)行監(jiān)測，另一束經(jīng)過泵浦光調(diào)制裝置4后光強受到調(diào)制；調(diào)制后的泵浦光束由泵浦光聚焦透鏡5聚焦到被測樣品6上，用于激發(fā)光熱效應(yīng)；經(jīng)過被測樣品6出射的剩余的泵浦光束由泵浦光吸收裝置7吸收。
[0019]由探測光源8發(fā)出的探測光束依次經(jīng)過探測光第一高反射鏡9、探測光第二高反射鏡10和探測光調(diào)制裝置11后，由探測光第一聚焦透鏡12聚焦到被測樣品6上，與泵浦光照射的區(qū)域重合，經(jīng)過被測樣品6出射的探測光束依次經(jīng)過探測光第二聚焦透鏡13、探測光第三高反射鏡14，再經(jīng)過探測光濾光裝置15濾掉除探測光以外其它波段的雜散光，從探測光濾光裝置15出射的探測光束由探測光分光裝置16分為兩束，一束進(jìn)入探測光功率探測裝置17，用于對探測光的功率進(jìn)行監(jiān)測，另一束則經(jīng)過空間濾波器18后由光電探測器19進(jìn)行探測。
[0020]由光電探測器19輸出的信號接入第一鎖相放大器20，并以探測光調(diào)制裝置11的調(diào)制信號頻率作為第一鎖相放大器20的參考信號頻率；第一鎖相放大器20的輸出信號接入第二鎖相放大器21，并以泵浦光調(diào)制裝置4的調(diào)制信號頻率作為第二鎖相放大器21的參考信號頻率；第二鎖相放大器21檢測到的信號由數(shù)據(jù)采集終端22采集處理。
[0021]本實用新型的工作原理:
[0022]如圖2所示，是現(xiàn)有技術(shù)中采用單調(diào)制的鎖相檢測的示意圖，因為只對泵浦光進(jìn)行調(diào)制，設(shè)調(diào)制信號頻率是f2，正如在【背景技術(shù)】中所介紹的，一般f2都比較低。考慮鎖相放大器本身有一定帶寬，所以在圖2中斜紋部分表示檢測到的噪聲。如圖3所示，是本實用新型采用雙調(diào)制級聯(lián)鎖相檢測的示意圖，對探測光和泵浦光分別進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號頻率分別為和f2。因為探測光只是用來檢測光熱效應(yīng)，與光熱效應(yīng)的激發(fā)過程無關(guān)，所以對探測光可以采用較高的調(diào)制頻率，即此時，對于第一鎖相放大器20所檢測到的是f\+f2和f\-f2的信號，并且鎖相放大器本身相當(dāng)于一個窄帶濾波器，因此在第一鎖相放大器20的輸出信號中其它頻段的噪聲都被濾掉了，只留下在4頻段附近的噪聲，并且因為這是在高頻段，噪聲相對于采用低調(diào)制頻率的單調(diào)制檢測情況大大降低了。第一鎖相放大器20的輸出信號接入第二鎖相放大器21，第二鎖相放大器21以f2為參考信號頻率，相當(dāng)于在f2頻段再次進(jìn)行濾波，濾掉其它頻段的噪聲，圖3中所示的斜紋部分表示第二鎖相放大器21檢測到的噪聲，與單調(diào)制的情況相比，檢測到的噪聲大大降低了。
[0023]以上所述實施方式僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本實用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實用新型的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，包括分別與被測樣品光路連接的泵浦光源、探測光源和光電探測器，所述光電探測器連接有鎖相檢測單元，所述泵浦光源與被測樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，其特征在于: 所述探測光源與被測樣品之間設(shè)有探測光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成；所述探測光調(diào)制裝置的調(diào)制信號頻率用于第一鎖相放大器的參考信號頻率，所述泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號頻率用于第二鎖相放大器的參考信號頻率； 所述光電探測器的輸出端與第一鎖相放大器的輸入端連接，所述第一鎖相放大器的輸出端與第二鎖相放大器的輸入端連接，所述第二鎖相放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集終端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，其特征在于:所述泵浦光調(diào)制裝置和探測光調(diào)制裝置選用光調(diào)制器或者斬波器。
3.權(quán)利要求1所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，其特征在于:所述探測光調(diào)制裝置與被測樣品之間設(shè)有探測光第一會聚裝置，所述被測樣品與光電探測器之間依次設(shè)有探測光第二會聚裝置、探測光高反射鏡、探測光濾光裝置、探測光分光裝置和空間濾波器；所述探測光分光裝置的反射光路上設(shè)有探測光功率探測裝置。
4.權(quán)利要求1所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，其特征在于:所述泵浦光源與泵浦光調(diào)制裝置之間設(shè)有泵浦光分光裝置，所述泵浦光分光裝置的反射光路上設(shè)有泵浦光功率探測裝置。
5.權(quán)利要求1所述的采用級聯(lián)鎖相檢測的光熱檢測裝置，其特征在于:所述泵浦光調(diào)制裝置與被測樣品之間設(shè)有泵浦光會聚裝置，所述被測樣品的后端設(shè)有泵浦光吸收裝置。
【文檔編號】G01N21/01GK203643336SQ201320867284
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳堅, 吳令奇, 吳周令 申請人:無錫利弗莫爾儀器有限公司