一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、位移平臺(tái)、外差探測(cè)激光干涉儀、低噪聲放大器、示波器和計(jì)算機(jī)。其中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，作用在樣品上產(chǎn)生聲表面波；外差探測(cè)激光干涉儀發(fā)出的測(cè)量臂激光照射在樣品表面返回與參考臂激光相干疊加產(chǎn)生干涉信號(hào)，探測(cè)到的干涉信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后在示波器上實(shí)時(shí)顯示出相應(yīng)的波形；示波器和位移平臺(tái)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，計(jì)算機(jī)控制掃描路徑和提取干涉信號(hào)波形的振幅和相位信息。本發(fā)明結(jié)合了外差激光探測(cè)和二維平面掃描，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型聲表面波器件表面的微小區(qū)域進(jìn)行精確掃描，其分辨精度達(dá)到1微米，實(shí)現(xiàn)掃描的總區(qū)域可達(dá)10毫米*10毫米。
【專利說(shuō)明】
一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種外差激光探測(cè)干涉儀，特別涉及一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在聲表面波研究領(lǐng)域，探測(cè)和確定小振幅表面振動(dòng)的特點(diǎn)是非常重要的。對(duì)于MHz 以上頻率的應(yīng)用，典型的最大的振幅大概在幾納米數(shù)量級(jí)。這種情況下，環(huán)境的擾動(dòng)對(duì)設(shè)備 測(cè)量精度的影響非常顯著，非接觸的測(cè)量方法顯得尤為重要。激光干涉儀提供了非接觸的 光學(xué)測(cè)量方法，可用來(lái)探測(cè)這種表面振動(dòng)，其中一種簡(jiǎn)便的方法就是采用零差邁克爾遜干 涉儀，它包括測(cè)量臂和參考臂，將表面振動(dòng)的樣品放置在測(cè)量臂路徑上。表面振動(dòng)引起測(cè)量 臂上的光程差發(fā)生改變，相應(yīng)地與參考臂的相位差產(chǎn)生變化，這樣激光干涉儀將相位差轉(zhuǎn) 變?yōu)閮杀凵瞎馐B加后的強(qiáng)度變化，最終的光強(qiáng)信號(hào)由光探測(cè)器接收。這樣在接收到的光 強(qiáng)與表面振幅之間建立了聯(lián)系。光強(qiáng)的干涉項(xiàng)由式（1)表示，UPI 2分別為參考臂和測(cè)量臂 的光強(qiáng)，A為表面振動(dòng)的振幅，fSAW為表面振動(dòng)的頻率，A為激光的波長(zhǎng)，_為環(huán)境因素在兩束 光之前引起的緩慢相位變化。
[0004]另外一種方法就是采用外差探測(cè)激光干涉儀，激光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分成兩 束，之后使參考臂和測(cè)量臂中的某一束光的頻率對(duì)于原始頻率f發(fā)生微小的頻移fm(fm〈〈f) 變?yōu)?。測(cè)量臂經(jīng)過(guò)樣品表面反射最終與參考臂的光發(fā)生干涉作用，得到光強(qiáng)的干涉項(xiàng)
[0006] 在外差探測(cè)中，環(huán)境因素導(dǎo)致的緩慢相位變化卿僅僅作為總相位變化中的一部 分，因此這種測(cè)量方法在普通的工作平面上即可探測(cè)(無(wú)需高精度的光學(xué)平臺(tái)），并且?guī)缀?不受樣品表面的粗糙、臺(tái)階起伏、反射率起伏的影響。
[0007] 目前商業(yè)設(shè)備能夠?qū)悠繁砻嬲駝?dòng)信息測(cè)量的頻率上限大都在幾兆赫茲以下，難 以對(duì)更高頻率的振動(dòng)情況進(jìn)行有效的測(cè)量，因此受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)以上的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，考慮到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中不可避免存在著噪聲干擾， 本發(fā)明提出一種外差激光探測(cè)和掃面平臺(tái)相結(jié)合的聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，以獲得 微小樣品二維表面的場(chǎng)分布信息。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述獲得樣品表面場(chǎng)分布信息的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0010] -種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、位移平臺(tái)、外 差探測(cè)激光干涉儀、低噪聲放大器、示波器和計(jì)算機(jī)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放 大器放大后，作用在位于位移平臺(tái)上的樣品的表面產(chǎn)生聲表面波，外差探測(cè)激光干涉儀的 測(cè)量臂激光照射在所述樣品表面經(jīng)反射返回，與參考臂激光相干疊加產(chǎn)生干涉信號(hào)，探測(cè) 到的干涉信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后在示波器上顯示出相應(yīng)的波形;所述示波器和位移平 臺(tái)分別與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制掃描路徑和提取干涉信號(hào)波形的振幅與相位信 息;所述計(jì)算機(jī)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得樣品的聲表面波場(chǎng)分布信息。
[0011] 本發(fā)明的聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了外差激光探測(cè)和二維平面掃描，其 中，外差激光探測(cè)可以獲取樣品表面單個(gè)點(diǎn)的完全的聲表面波振動(dòng)信息，同時(shí)不需要高精 度的光學(xué)平臺(tái)且對(duì)環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的免疫能力，可以滿足大多情況下實(shí)驗(yàn)室的使用;通 過(guò)將干涉儀探測(cè)光斑直徑聚焦到10M1，同時(shí)配合采用高靈敏度和快響應(yīng)速度的光電探測(cè)器 可以將對(duì)樣品表面振動(dòng)信息的探測(cè)頻率上限提高到100MHz。結(jié)合精密位移平臺(tái)（最小步長(zhǎng) O.lMi)的二維平面掃描，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型聲表面波器件表面的微小區(qū)域進(jìn)行精確掃描，其 分辨精度達(dá)到1微米，實(shí)現(xiàn)掃描的總區(qū)域可達(dá)10毫米*10毫米。同時(shí)，可通過(guò)示波器實(shí)時(shí)顯示 每個(gè)點(diǎn)的干涉信號(hào)，并利用labview程序?qū)γ總€(gè)點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取包括坐標(biāo)、相位 和幅值，最終使用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲得掃描區(qū)域的場(chǎng)分布信息，該方法簡(jiǎn)便可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明的聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)中外差激光干涉儀的內(nèi)部光路示意 圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明的二維平面掃描實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)測(cè)得的掃描區(qū)域的(a)相位和(b)幅值分布圖；
[0016] 圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)測(cè)得的掃描區(qū)域的場(chǎng)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 掃描平臺(tái)和示波器與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，并利用labview程序來(lái)設(shè)置掃描區(qū)域和掃描精 度(步長(zhǎng)）。示波器實(shí)時(shí)顯示掃描區(qū)域中每個(gè)點(diǎn)的干涉信號(hào)波形，labview程序提取每個(gè)點(diǎn)的 坐標(biāo)、相位和幅值信息。獲取的信息存入文件中，最后利用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲取場(chǎng)分 布圖。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明的聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大 器、位移平臺(tái)、外差探測(cè)激光干涉儀、低噪聲放大器、示波器和計(jì)算機(jī)。其中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生 的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，作用在樣品上產(chǎn)生聲表面波。外差探測(cè)激光干涉儀發(fā)出 測(cè)量臂的激光照射在樣品表面返回與參考臂激光相干疊加產(chǎn)生干涉信號(hào)，探測(cè)到的干涉信 號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后在示波器上顯示出相應(yīng)的波形。示波器和位移平臺(tái)與計(jì)算機(jī)聯(lián) 機(jī)，并利用labview程序來(lái)控制掃描路徑和提取干涉信號(hào)波形的振幅和相位信息。
[0019] 本實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器為Tektronix公司生產(chǎn)的AFG3252C雙通道型，帶寬 240MHz，用于激發(fā)射頻信號(hào)。功率放大器采用微波電子網(wǎng)的MWPA-000500M04，最大輸入射頻 信號(hào)功率為10dBm，增益36dB，最大輸出功率4W，置于信號(hào)發(fā)生器后端，用于放大聲表面波驅(qū) 動(dòng)功率。位移平臺(tái)由兩塊PI公司的M405-CG壓電掃描平臺(tái)構(gòu)成，兩塊平臺(tái)上下交疊放置。通 過(guò)PI公司C-843板卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩塊掃描平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)二維掃描。其中M405-CG壓電 掃描平臺(tái)最大移動(dòng)范圍50mm，最小步長(zhǎng)0. lym，最大移動(dòng)速度0.7mm/s。示波器為L(zhǎng)eCroy公司 的wavepro 725Zi，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示干涉信號(hào)波形。低噪聲放大器由Mini Circuits公司生產(chǎn)， 型號(hào)為ZFL-1000+，增益17dB，用來(lái)放大干涉儀輸出的干涉信號(hào)。
[0020] 外差探測(cè)激光干涉儀用來(lái)實(shí)現(xiàn)在掃描過(guò)程中對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲取每個(gè)點(diǎn)的 振動(dòng)信息。圖2所示為本實(shí)施例外差激光干涉儀的內(nèi)部光路，包括532nm激光器(300mW)、三 個(gè)半波片、三個(gè)偏振分光鏡、兩個(gè)反射鏡、兩個(gè)1/4波片、聚焦透鏡、光折變晶體和探測(cè)器。激 光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)半波片和偏振分光鏡后分為透射光和反射光，其中透射光(測(cè)量臂)依次 經(jīng)過(guò)反射鏡、偏振分光鏡、1/4波片和透鏡入射到樣品表面經(jīng)反射后返回。反射光(參考臂） 通過(guò)半波片和反射鏡后與經(jīng)樣品表面反射回來(lái)的透射光入射到相位型光柵的光折變晶體 上，之后發(fā)生相干疊加，由光電探測(cè)器探測(cè)干涉后的光強(qiáng)。同時(shí)將光斑直徑聚焦到10M1，并 配合使用高靈敏度和快響應(yīng)速度的HCA-S-200M-SI型光電探測(cè)器可以使測(cè)量上限達(dá)到 100MHz〇
[0021] 圖3所示為本發(fā)明的二維平面掃描實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖。在左邊激發(fā)聲表面波，入射到 右側(cè)的平面區(qū)域，外差激光干涉儀探測(cè)每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)信息，位移平臺(tái)以一定的精度進(jìn)行二 維平面移動(dòng)，這樣就可以獲取表面區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)情況。右圖代表掃描過(guò)程中對(duì)樣品表面特 定點(diǎn)測(cè)量到的振動(dòng)信息，可以利用測(cè)量到的這些點(diǎn)的振動(dòng)信息來(lái)繪制樣品表面場(chǎng)分布圖。 [0022]圖4所示為利用labview提取到的測(cè)量區(qū)域的振動(dòng)情況數(shù)據(jù)，經(jīng)matlab處理后得到 的73MHz激勵(lì)信號(hào)下聲表面波相位(a圖）和幅值(b圖）分布圖。
[0023]圖5所示為與圖4對(duì)應(yīng)的每個(gè)點(diǎn)的幅值乘以相位的余弦得到的場(chǎng)分布圖，可以觀察 到明顯的平面波形式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、位移平臺(tái)、外差 探測(cè)激光干涉儀、低噪聲放大器、示波器和計(jì)算機(jī)，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信 號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，作用在位于位移平臺(tái)上的樣品的表面產(chǎn)生聲表面波，外差探測(cè)激 光干涉儀的測(cè)量臂激光照射在所述樣品表面經(jīng)反射返回，與參考臂激光相干疊加產(chǎn)生干涉 信號(hào)，探測(cè)到的干涉信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后在示波器上顯示出相應(yīng)的波形;所述示波 器和位移平臺(tái)分別與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制掃描路徑和提取干涉信號(hào)波形的振幅 與相位信息;所述計(jì)算機(jī)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得樣品的聲表面波場(chǎng)分布信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述位移平 臺(tái)由兩塊上下交疊放置的掃描平臺(tái)構(gòu)成，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)板卡對(duì)兩塊掃描平臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)二維掃描。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述外差激 光干涉儀包括激光器、三個(gè)半波片、三個(gè)偏振分光鏡、兩個(gè)反射鏡、兩個(gè)1/4波片、聚焦透鏡、 光折變晶體和探測(cè)器;激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一半波片和第一偏振分光鏡后分為透射光和 反射光，其中透射光依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二偏振分光鏡、第一1/4波片和聚焦透鏡入射 到樣品表面經(jīng)反射后返回，返回的光束通過(guò)第二半波片后與反射光通過(guò)第三半波片和第二 反射鏡后的光束一起入射到光折變晶體上，發(fā)生相干疊加產(chǎn)生干涉信號(hào)，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第 二1/4波片和第三偏振分光鏡由光電探測(cè)器探測(cè)干涉后的光強(qiáng)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述光折變 晶體采用相位型光柵。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所 述信號(hào)發(fā)生器為AFG3252C雙通道型，帶寬為240MHz。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一種聲表面波光干涉掃描探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所 述計(jì)算機(jī)利用Iabview程序?qū)悠飞厦總€(gè)點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，提取的數(shù)據(jù)包括坐 標(biāo)、相位和幅值，最終使用matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲得掃描區(qū)域的場(chǎng)分布信息。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK105928606SQ201610548397
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月12日
【發(fā)明人】盧明輝, 劉富康, 余思遠(yuǎn), 顏學(xué)俊, 陳延峰
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)