CN103091334A - 光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置，通过高度聚焦的泵浦激光照射样品来激发样品的红外辐射，同时利用泵浦激光所激发的红外辐射在特定波段对一些固体材料有一定穿透深度的物理特性来获得固体材料表面及亚表面对泵浦激光的光学吸收特性。通过扫描样品，该方法和装置可以在样品表面和亚表面区域内获得微米到亚微米量级的横向分辨率，适用于光热无损探伤、光热精密检测、光热显微成像与缺陷分析、特别是用于强激光系统内的光学元件缺陷检测等多个领域。

Description

光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置

 

技术领域

本发明涉及固体材料光学吸收缺陷探测领域，具体是一种光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置。

背景技术

固体材料在其加工过程中不可避免地会引入表面缺陷以及亚表面缺陷，从而影响材料在其表面及亚表面的光学吸收特性。对很多光学材料而言，例如常用于强激光系统中的熔融石英玻璃和KDP晶体等，由于在材料切割、研磨、抛光等过程中引入的污染和缺陷，其表面及亚表面的光学质量往往比相关材料的本征特性差得很多，从而使得固体材料的表面及亚表面在很多应用中成为限制固体材料本征特性的问题，比如在强激光系统中成为最容易被激光损伤的薄弱环节。所以探测表面及亚表面吸收缺陷，并在此基础上结合加工工艺改进材料的表面及亚表面特性，有着非常重要的意义。

固体材料光学表面缺陷的检测方法有很多，包括高分辨散射测量方法，高分辨荧光测量方法，原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜，以及高分辨光声显微镜，以及各类高分辨光热显微镜等。

高分辨散射测量方法主要用于对由于光学折射率或者面形缺陷引起的不均匀性的检测分析，而难以用于吸收缺陷的检测分析。高分辨荧光测量方法可以较好的探测光学吸收缺陷，但是其探测的缺陷主要属于吸收并且易于发射荧光的缺陷，对于在激光破坏过程中经常起关键作用的很多吸收缺陷并不敏感。光声及各种光热显微方法通过合理的实验设计和模型计算，在一定程度上可以对体内吸收缺陷与表面、亚表面吸收缺陷有所区分，但是这类方法在深度方向的分辨能力取决于被测样品的光热特性、具体的实验参数、以及用来进行计算的模型的准确性，因此虽然理论上可行，实际应用中难度其实很大。而原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜等高分辨手段主要探测的是样品表面形貌及光学折射率的不均匀性，对光学吸收缺陷一般并不敏感。

综上所述，目前尚没有一种良好的高分辨率方法能够用来直接探测固体材料的表面及亚表面吸收缺陷，特别是吸收比较微弱的透明固体材料表面及亚表面的吸收缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置，可对光热辐射透明和不透明的样品进行检测，可在微米到亚微米量级的亚表面区域获得微米到亚微米量级的横向分辨率，其检测分辨率高。

本发明的技术方案为：

光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，包括有对光热红外辐射透明样品的检测和对光热红外辐射不透明样品的检测，对光热红外辐射透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远大于样品厚度；对光热红外辐射不透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远小于样品的厚度；

（1）、对光热红外辐射透明样品的检测，如图1所示，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经高倍数、高数值孔径聚焦系统聚焦到被测样品前表面，并进入被测样品内部，在泵浦激光束传输的过程中，在焦深之内的前表面及前亚表面区域，泵浦激光束将激发强的光热红外辐射，此强光热红外辐射通过被测样品后从被测样品后表面出射，而在焦深之外的样品内部区域，泵浦激光束将很快发散，同时其所激发的光热红外辐射将急剧减弱；这是由于激发产生的光热红外辐射信号强度与泵浦激光的功率密度成正比，在焦深之内，功率密度很高，所以光热红外辐射信号很强；在焦深之外，泵浦光束很快发散，光斑变大，功率密度大大降低，所以红外辐射信号急剧减弱；

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析；

（2）、对光热红外辐射不透明样品的检测，如图2所示，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经过高倍数、高数值孔径光学聚焦系统聚焦到被测样品上，焦点位于样品后表面，在泵浦激光束传输的过程中，泵浦激光束在样品内部区域、后亚表面区域和后表面都激发了光热红外辐射，其中，后亚表面的探测深度为α^-1cm，其中α为能够透过红外滤波器的光热红外辐射在被测样品中的平均吸收系数；被测样品探测深度以外的内部区域激发的光热红外辐射因被被测样品本身吸收而几乎全部衰减，而在后亚表面区域和后表面激发的光热红外辐射将透过被测样品后表面；

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析。

所述的步骤（1）中经过收集会聚后的光热红外辐射，再经过红外探测系统中的空间滤波器进一步滤除样品内部区域激发的弱光热红外辐射，最后在焦深之内的前表面及前亚表面区域激发的强光热红外辐射通过红外探测系统的空间滤波器进入红外探测系统的红外探测器上进行探测分析。

所述步骤（1）中所选用的红外滤波器和红外探测器的波段对被测样品是透明的。

所述的步骤（2）中经过收集会聚后的光热红外辐射，再经过红外探测系统中的空间滤波器进一步滤除被测样品探测深度以外的内部区域激发的残余光热红外辐射，最后在样品后亚表面区域和后表面激发的强光热红外辐射通过红外探测系统的空间滤波器进入红外探测系统的红外探测器上进行探测分析。

所述步骤（2）中红外滤波器和红外探测器的波段的选择根据所测样品的红外吸收特性确定，所测样品对所选的红外波段强烈吸收。

所述的经过高倍数、高数值孔径光学聚焦系统聚焦获得的泵浦光束在样品前表面或后表面的焦斑尺寸在微米量级。

根据具体的泵浦激光波长及聚焦光学系统特性，泵浦光在样品表面的横向焦斑尺寸能够比较容易地达到微米甚至亚微米量级。而在纵深方向，泵浦光焦深（图1和图2中虚线所示）亦可以在微米甚至亚微米量级。即以上所述的检测方法的分辨率可以比较容易的达到微米量级。

步骤（2）的方法适用于对相关光热红外辐射不透明的样品，而样品亚表面区域内的探测深度则取决于α^-1(cm)，其中α为能够透过红外滤波器的光热红外辐射在样品中的平均吸收系数。α的具体数值取决于如下因素：样品的红外本征特性；红外探测系统的检测波长；以及红外滤波器的透过波段。由于固体材料红外本征特性对指定材料是固定的，所以被测样品亚表面探测深度的大小取决于红外探测系统的选择，以及红外滤波器的设计。以常见的光学材料熔融石英为例，熔融石英对紫外到近红外波段的泵浦激光都是基本透明的。熔融石英在泵浦光激发下会产生光热辐射效应。对这种光热辐射效应的探测如果选用3-5微米的常见红外探测器，则其探测深度（α^-1）在毫米到厘米量级；而如果选择8-14微米的另一类常见红外探测器，则其探测深度（α^-1）为微米量级。如果在选择8-14微米红外探测器的同时再配上9微米的窄带红外滤光片，则其探测深度（α^-1）将大约为300纳米（熔融石英对9微米波长的吸收长度约为300纳米）。 距离表面300nm到微米量级的深度是典型的亚表面区域。

光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，包括有相对被测样品前表面设置的泵浦光源，设置于泵浦光源和被测样品之间的高倍数、高数值孔径光学聚焦系统，相对被测样品后表面设置的红外滤波器，依次设置于红外滤波器后端的红外信号收集系统和红外探测系统。

所述的红外探测系统是由红外探测器及放置于其前端的空间滤波器组成。

所述的泵浦光源和光学聚焦系统之间设置有设置有泵浦激光束调制器和泵浦激光束整形扩束装置。

所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置还包括有用于固定样品的装夹扫描装置。

本发明的原理为：

本发明通过光热辐射测量技术来获得吸收缺陷区域的信息。光热辐射技术是测量样品在激光照射下产生的红外辐射波的一种无损检测技术，其基本原理是：一束经过调制的激光束入射到样品的表面，样品吸收激光束的能量后会引起局部温度变化，从而引起样品的红外热辐射的变化。因激光照射而引起的红外热辐射信号与样品的吸收直接关联，通过测量激光照射引起的红外热辐射信号就可以获得样品的吸收特性。

本发明的优点为：

本发明利用高度聚焦的泵浦激光束来激发光热辐射技术，并根据被测材料的红外光学特性来合理设计两种不同的检测方法和检测装置，可以对被测样品表面及亚表面光学吸收特性进行直接探测而不受样品体内吸收信号的影响。根据被测样品的特性和光路设计，本发明可以在微米到亚微米量级的亚表面区域获得微米到亚微米量级的横向分辨率。而对表面及亚表面吸收缺陷大面积检测和成像则通过对样品二维扫描来实现。

附图说明

图1是本发明适用于对光热红外辐射透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置的结构示意图，其中，1为光学聚焦系统，2为被测样品前表面，3为被测样品前亚表面区域，4为被测样品处于泵浦激光焦深之外的内部区域，5为红外滤波器，6为红外信号收集系统，7为红外探测系统。

图2是本发明适用于对光热红外辐射不透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置的结构示意图，其中，8为光学聚焦系统，9为被测样品探测深度以外的内部区域，10为被测样品后亚表面区域，11为被测样品后表面，12为泵浦激光束在被测样品探测深度以外的内部区域激发的光热红外辐射，13为泵浦激光束在被测样品后亚表面区域和后表面激发的光热红外辐射，14为红外滤波器，15为红外信号收集系统，16为红外探测系统。

图3是本发明实施例1中适用于对光热红外辐射透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置的结构示意图，其中，17为泵浦激光器，18为泵浦激光束调制器，19为泵浦激光束整形扩束装置，20为光学聚焦系统，21为被测样品，22为红外滤波器，23为红外信号收集系统，24为红外探测系统,25为样品扫描系统，26为泵浦光吸收装置。

图4是本发明实施例2中适用于对光热红外辐射不透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置的结构示意图，其中，27为泵浦激光器，28为泵浦激光束调制器，29为泵浦激光束整形扩束装置，30为光学聚焦系统，31为被测样品，32为红外滤波器，33为红外信号收集系统，34为红外探测系统,35为样品扫描系统，36为泵浦光吸收装置。

具体实施方式

光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，包括有对光热红外辐射透明样品的检测和对光热红外辐射不透明样品的检测，对光热红外辐射透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远大于样品厚度；对光热红外辐射不透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远小于样品的厚度；

（1）、对光热红外辐射透明样品的检测，基本原理如图1所示：

a、泵浦激光束经高倍数、高数值孔径的光学聚焦系统1聚焦到被测样品2前表面3处并进入到被测样品内部，在泵浦激光束传输的过程中，在焦深之内的前表面3及前亚表面4区域，泵浦激光束将激发强的光热红外辐射，此强光热红外辐射通过被测样品后从被测样品后表面出射，而在焦深之外的样品内部区域5，泵浦激光束将很快发散，同时其所激发的光热红外辐射将急剧减弱；

b、从被测样品后表面出射的泵浦激光束和光热红外辐射通过红外滤波器5，其中，泵浦激光束被红外滤波器5遮挡，光热红外辐射通过红外滤波器5后，由红外信号收集系统6收集会聚后，再经过红外探测系统7的空间滤波器进一步滤除样品内部区域激发的弱光热红外辐射，最后在焦深之内的前表面及前亚表面区域激发的强光热红外辐射通过红外探测系统7的空间滤波器进入红外探测系统7的红外探测器上进行探测分析；

（2）、对光热红外辐射不透明样品的检测，基本原理如图2所示：

a、泵浦激光束经过适当倍数和数值孔径的聚焦光学系统8聚焦到被测样品上，焦点位于样品后表面处，在泵浦激光束传输的过程中，泵浦激光束在样品内部区域、后亚表面区域和后表面都激发了光热红外辐射，其中，后亚表面13的探测深度为α^-1cm，α为能够透过红外滤波器的光热红外辐射在被测样品中的平均吸收系数；被测样品探测深度以外的内部区域12激发的光热红外辐射12因被被测样品本身吸收而几乎全部衰减，而在后亚表面区域13和后表面14激发的光热红外辐射13将透过被测样品后表面；

b、从被测样品后表面出射的泵浦激光束和光热红外辐射通过红外滤波器14，其中，泵浦激光束被红外滤波器14遮挡，光热红外辐射通过红外滤波器14，然后光热红外辐射经红外信号收集系统15收集汇聚后，再经过红外探测系统16的空间滤波器进一步滤除样品内部区域激发的残余光热红外辐射12，最后在样品后亚表面区域和后表面激发的强光热红外辐射13通过红外探测系统16的空间滤波器进入红外探测系统16的红外探器上进行探测分析。

实施例1

见图3，适用于对光热红外辐射透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，包括有相对被测样品21前表面设置的泵浦光源17，顺次设置于泵浦光源和被测样品之间的泵浦激光束调制器18、泵浦激光束整形扩束装置19和光学聚焦系统20，相对被测样品21后表面设置的红外滤波器22，依次设置于红外滤波器22后端的红外信号收集系统23和红外探测系统24，用于扫描被测样品21的样品扫描系统25和设置于红外滤波器22侧部的泵浦光吸收装置26；

由泵浦光源17发出泵浦光束经泵浦光束调制器18调制后由高倍数、高数值孔径光学聚焦系统20聚焦到被测样品表面，样品表面处的泵浦光束焦点尺寸在微米量级；由样品后表面出射的红外辐射经过红外滤波器22后进入到红外探测系统24中，红外滤波器和红外探测系统的波段对所测样品是透明的；；红外探测系统24包含红外探测器及放置于红外探测器前端的空间滤波器，空间滤波器的小孔位置与泵浦激光束在被测样品21表面的焦点是物象共轭关系，以进一步排除来自被测样品21内部区域的弱光热红外辐射，红外探测系统24接受到的红外辐射信号在泵浦光为连续调制的条件下可以由锁相放大器进行分析；如果泵浦光为脉冲光源则可以采用相应脉冲信号放大分析系统。

由样品后表面出射的泵浦光束经由红外滤波器22反射后由红外辐射吸收装置26吸收。

样品扫描系统25可以对被测样品21进行三维方向的移动，其中纵向扫描主要用来调整光路，而X-Y方向的二维扫描则用来实现对被测样品21表面及亚表面区域的扫描成像。

该系统适用于对相关光热红外辐射波段透明的样品，它可以在样品表面和纵深方向距离表面微米到亚微米量级的亚表面区域内获得微米到亚微米量级的横向分辨率。

实施例2

见图4，适用于对光热红外辐射透明样品表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，包括有相对被测样品31前表面设置的泵浦光源27，顺次设置于泵浦光源和被测样品之间的泵浦激光束调制器28、泵浦激光束整形扩束装置29和光学聚焦系统30，相对被测样品31后表面设置的红外滤波器32，依次设置于红外滤波器32后端的红外信号收集系统33和红外探测系统34，用于扫描被测样品31的样品扫描系统35和设置于红外滤波器32侧部的泵浦光吸收装置36；

本实施实现对光学样品表面及亚表面缺陷高分辨检测与成像的过程与实施例1类似，所不同的是该检测装置适用于对相关光热红外辐射波段不透明样品的检测，可以在样品表面和纵深方向距离表面微米到亚微米量级的亚表面区域内获得微米甚至亚微米量级的横向分辨率，但它而对样品亚表面区域内探测深度主要则取决于α^-1(cm)，其中α为能够透过红外滤波器32的光热红外辐射在被测样品中的平均吸收系数，α的具体数值取决于如下因素：样品的红外本征特性；红外探测系统34的检测波长；以及红外滤波器32的透过波段。  

Claims (10)

1.光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：包括有对光热红外辐射透明样品的检测和对光热红外辐射不透明样品的检测，对光热红外辐射透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远大于样品厚度；对光热红外辐射不透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远小于样品的厚度；

（1）、对光热红外辐射透明样品的检测，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经高倍数、高数值孔径聚焦系统聚焦到被测样品前表面，并进入到被测样品内部，在泵浦激光束传输的过程中，在焦深之内的前表面及前亚表面区域，泵浦激光束激发强的光热红外辐射，此强光热红外辐射通过被测样品后从被测样品后表面出射，而在焦深之外的样品内部区域，泵浦激光束将很快发散，同时其所激发的光热红外辐射将急剧减弱； 

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析；

（2）、对光热红外辐射不透明样品的检测，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经过高倍数、高数值孔径光学聚焦系统聚焦到被测样品上，焦点位于样品后表面，在泵浦激光束传输的过程中，泵浦激光束在样品内部区域、后亚表面区域和后表面都激发了光热红外辐射，其中，后亚表面的探测深度为α^-1cm，其中α为能够透过红外滤波器的光热红外辐射在被测样品中的平均吸收系数；被测样品探测深度以外的内部区域激发的光热红外辐射因被被测样品本身吸收而几乎全部衰减，而在后亚表面区域和后表面激发的光热红外辐射将透过被测样品后表面；

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析。

2.根据权利要求1所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：所述的步骤（1）中经过收集会聚后的光热红外辐射，再经过红外探测系统中的空间滤波器进一步滤除样品内部区域激发的弱光热红外辐射，最后在焦深之内的前表面及前亚表面区域激发的强光热红外辐射通过红外探测系统的空间滤波器进入红外探测系统的红外探测器上进行探测分析。

3.根据权利要求1所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：所述步骤（1）中所选用的红外滤波器和红外探测器的波段对被测样品是透明的。

4.根据权利要求1所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：所述的步骤（2）中经过收集会聚后的光热红外辐射，再经过红外探测系统中的空间滤波器进一步滤除被测样品探测深度以外的内部区域激发的残余光热红外辐射，最后在样品后亚表面区域和后表面激发的强光热红外辐射通过红外探测系统的空间滤波器进入红外探测系统的红外探测器上进行探测分析。

5.根据权利要求1所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中红外滤波器和红外探测器的波段的选择根据所测样品的红外吸收特性确定，所测样品对所选的红外波段强烈吸收。

6.根据权利要求1所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，其特征在于：所述的经过高倍数、高数值孔径光学聚焦系统聚焦获得的泵浦光束在样品前表面或后表面的焦斑尺寸在微米量级。

7.光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，其特征在于：包括有相对被测样品前表面设置的泵浦光源，设置于泵浦光源和被测样品之间的高倍数、高数值孔径光学聚焦系统，相对被测样品后表面设置的红外滤波器，依次设置于红外滤波器后端的红外信号收集系统和红外探测系统。

8.根据权利要求7所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，其特征在于：所述的红外探测系统是由红外探测器及放置于其前端的空间滤波器组成。

9.根据权利要求7所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，其特征在于：所述的泵浦光源和光学聚焦系统之间设置有泵浦激光束调制器和泵浦激光束整形扩束装置。

10.根据权利要求7所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置，其特征在于：所述的光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测装置还包括有用于固定样品的装夹扫描装置。

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