CN103149217B - 光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置，该方法及装置将红外成像技术与锁相放大检测技术结合，通过利用受调制的泵浦激光激发样品产生周期性红外辐射，利用红外探测阵列来探测所产生的红外辐射，并对红外探测阵列的信号进行锁相放大检测，获得有关样品缺陷的高分辨的图像信息，同时利用所激发的红外辐射在选定波段对一些光学材料穿透深度非常有限的物理特性来排除样品体内红外信号对检测结果的影响，从而只对样品表面及亚表面的吸收缺陷分布进行成像检测。该方法和装置适用于光学元件表面及亚表面吸收缺陷检测与成像，特别适合特大型高功率激光系统中常用的大口径光学元件表面及亚表面吸收缺陷的检测与成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件表面及亚表面缺陷的检测方法领域，具体是一种光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置。
背景技术
在高功率或者高能量的强激光系统及其应用过程中，光学元件的激光破坏阈值常常是制约相关系统运行水平的关键因素。这些光学元件的激光破坏阈值常常远低于用来制作该元件的材料本征破坏阈值。以用于激光惯性约束核聚变系统中的大口径熔融石英元件为例，其在355纳米紫外激光波段的破坏阈值远低于用来制作该元件的纯石英材料的本征阈值，是制约相关系统设计和研发的关键因素之一。发生这种现象的主要原因是在光学元件的加工过程中，如切割、研磨、抛光等，不可避免的会引入各种缺陷和污染，特别是在元件的表面及亚表面区域，导致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，从而使得相关元件的表面及亚表面在强激光应用中成为限制元件性能的瓶颈，成为最容易发生激光破坏的薄弱环节。
光学元件表面及亚表面缺陷的检测方法有很多，包括光学显微镜，光学散射检测方法，激光激发荧光测量方法，原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜，以及光声显微镜及光热显微镜等。但以上大多数检测方法只对一些样品上的面形缺陷及折射率不均匀性能够进行有效检测，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。
目前，常用的针对吸收缺陷的检测的方法有激光诱导光热辐射检测技术。该技术可分为两大类。第一类是利用单点探测器，通过逐点扫描来进行显微成像，从而获得样品的二维图像。该方法的优点是每一点信噪比好，检测灵敏度高，成像的分辨率决定于激发激光光斑，也可以做到较高，比如在355纳米泵浦激光波长条件下可以比较容易地获得亚微米横向分辨率；缺点是成像需要对样品进行逐点扫描，成像速度很慢。对大口径光学元件来说，该方法难以满足实际需求。第二类是利用红外探测器阵列（例如红外相机等）直接获得样品的二维图像。该方法的优点是成像速度快；缺点是成像分辨率取决于红外探测器阵列及其相关红外成像系统，与逐点扫描方法相比，分辨率较低，灵敏度也较低，对微弱吸收缺陷无法有效识别。
综上所述，目前尚没有一种良好的检测方法能够用来直接探测大口径光学元件的表面及亚表面吸收缺陷，特别是吸收比较微弱的透明光学元件的表面及亚表面吸收缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置，将红外成像技术与锁相放大检测技术结合，通过利用受调制的泵浦激光激发样品产生周期性红外辐射，利用红外探测阵列来探测所产生的红外辐射，并对红外探测阵列的信号进行锁相放大检测，获得有关样品缺陷的高分辨的图像信息，同时利用所激发的红外辐射在选定波段对一些光学材料穿透深度非常有限的物理特性来排除样品体内红外信号对检测结果的影响，从而只对光学元件样品表面及亚表面的吸收缺陷分布进行成像检测。
本发明的技术方案为：
光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法，包括以下步骤：
（1）、用经过调制的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光学元件内部并从后表面出射，光学元件的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为光学元件对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射；
（2）、光学元件的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的前表面设置的第一红外成像装置收集、并经过第一红外滤波装置滤波后入射到第一红外探测器阵列上进行成像探测分析，第一红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第一红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测；
（3）、光学元件的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的后表面设置的第二红外成像装置收集、并经过第二红外滤波装置滤波后入射到第二红外探测器阵列上进行探测分析，第二红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第二红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测。
所述的光学元件前、后表面进行分区域的二维扫描，从而实现对光学元件表面全覆盖的成像检测。
光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，包括有相对光学元件前表面设置的泵浦光源，设置于泵浦光源发射端和光学元件前表面之间的泵浦光束调制装置，相对光学元件前表面设置的第一红外成像装置，依次设置于第一红外成像装置后端的第一红外滤波装置和第一红外探测器阵列，相对光学元件后表面设置的第二红外成像装置，依次设置于第二红外成像装置后端的第二红外滤波装置和第二红外探测器阵列，分别与泵浦光束调制装置、第一红外探测器阵列、第二红外探测器阵列连接的锁相放大检测装置。
所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有设置于泵浦光束调制装置和光学元件前表面之间的泵浦光束整形处理装置。
所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有相对光学元件后表面设置的泵浦光吸收装置。
所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有用于固定光学元件的样品装夹扫描装置。
本发明中所采用的锁相放大检测，利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频 （或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。本发明利用锁相放大检测的这一优点，将该技术与红外成像技术结合，大幅度提高了红外探测阵列的检测灵敏度。其对样品表面温升的检测灵敏度可以达到毫开尔文（mK）甚至微开尔文（μK）水平，能够满足对多数光学元件微弱吸收检测的灵敏度要求。
本发明能够实现只对表面及亚表面吸收缺陷进行检测，是利用了激光激发红外辐射在选定波段对一些光学材料的穿透深度非常有限这一物理特性。即在检测时, 所测样品对所选择的红外波段是强烈吸收的，选用适合该波段的滤波装置和探测器阵列，这样样品内部受激光激发产生的选定波段的红外辐射将被样品本身吸收，无法到达成像检测系统。只有在距表面深度为α-1(cm)（探测深度）的样品区域内受激光激发产生的选定波段的红外辐射能够透过样品表面到达成像检测系统，其中α(cm-1)为样品在选定红外波段的平均吸收系数。对一些常用光学材料，如熔融石英等，在一些红外波段，探测深度可以达到微米甚至亚微米量级。
本发明的以上特点使得本发明特别适合特大型高功率激光系统中常用的大口径光学元件，如熔融石英、KDP晶体、BK7玻璃、以及一些相关薄膜元件的表面及亚表面吸收缺陷的检测与成像。
本发明采用红外探测器阵列对光学元件样品受激产生的红外辐射进行检测，能够直接获得关于光学元件样品缺陷分布的二维图像，与传统采用单点探测器进行二维逐点扫描来获取缺陷分布图像相比，速度更快，效率更高。使用本发明，即使是对大口径光学元件进行检测，也只需对样品进行分区扫描。以典型的大口径熔融石英元件为例，其通光口径大约为0.5米 x 0.5米。如果需要对其表面及亚表面吸收缺陷进行全覆盖检测，并且空间分辨率要求10微米（即每10微米x 10微米取样一点），用传统的光热测量方法把整个样品扫描一遍将需要347222.2小时（假设每一点移动准备及积分测量时间累计只需500毫秒），亦即14467.6天或者说39.64年，这在实际应用中是根本不现实的。使用基于本发明的成像方法及装置，假设使用1280 x 1024 pixels红外阵列探测器、红外光学系统成像分辨率为10微米（即每10微米x 10微米对应一个成像点），那么如果每幅图像样品移动准备及锁相积分时间为100秒，整幅扫描测量同样的样品只需要52.98个小时，变得切实可行；如果每幅图像样品移动准备及锁相积分时间为10秒，整幅扫描成像同样的样品只需要5.3个小时，变得更为快捷。
本发明也可以应用于中小型口径光学元件测量。在用于中小型口径光学元件时，本发明可以在保持测量速度适当的情况下大幅度降低对泵浦光源的功率要求，从而大幅度降低相关测量系统的成本、体积和重量。
附图说明
图1是本发明光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置的应用原理图。
具体实施方式
见图1，光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，包括有相对光学元件4前表面设置的泵浦光源1，顺次设置于泵浦光源1发射端和光学元件4前表面之间的泵浦光束调制装置2和泵浦光束整形处理装置3，相对光学元件4后表面设置的泵浦光吸收装置5，相对光学元件4前表面设置的第一红外成像装置6，依次设置于第一红外成像装置7后端的第一红外滤波装置7和第一红外探测器阵列8，相对光学元件1后表面设置的第二红外成像装置9，依次设置于第二红外成像装置9后端的第二红外滤波装置10和第二红外探测器阵列11，用于固定光学元件4的样品装夹扫描装置12，分别与泵浦光束调制装置2、第一红外探测器阵列8、第二红外探测器阵列11连接的锁相放大检测装置13。
见图1，光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法，包括以下步骤：
由泵浦光源1发出的泵浦光束依次经过泵浦光束调制装置2、泵浦光束整形处理装置3后，入射到待测光学元件4上，并在经过光学元件4后由泵浦光吸收装置5吸收。根据具体的检测实验需要，泵浦光束整形处理后可以是会聚到待测光学元件4表面的聚焦光，也可以是平行光。泵浦光束在待测光学元件4前表面及前亚表面区域产生的红外辐射经过第一红外成像装置6收集、并经过第一红外滤波装置7滤波后入射到第一红外探测器阵列8上进行成像探测分析；待测光学元件4后表面及后亚表面区域产生的红外辐射经过第二红外成像装置9收集、并经过第二红外滤波装置10滤波后入射到第二红外探测器阵列11上进行成像探测分析。
在探测时，对第一红外探测器阵列8和第二红外探测器阵列11进行锁相检测，即利用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置13的参考信号，第一红外探测器阵列8和第二红外探测器阵列11所测得的信号由锁相放大检测装置13进行检测，并由图像采集处理终端进行采集处理，以获得关于样品表面及亚表面区域的缺陷分布的图像信息。利用锁相放大检测装置进行检测时，积分时间可以根据信号强弱及信噪比大小来进行选择。
待测光学元件4装夹在样品装夹扫描装置12上，可以通过移动待测光学元件4来实现一幅一幅的二维成像，实现对待测光学元件4前后表面区域的全覆盖检测。
Claims (6)
1.光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、用经过调制的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光学元件内部并从后表面出射，光学元件的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为光学元件对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射；
（2）、光学元件的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的前表面设置的第一红外成像装置收集、并经过第一红外滤波装置滤波后入射到第一红外探测器阵列上进行成像探测分析，第一红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第一红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测；
（3）、光学元件的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的后表面设置的第二红外成像装置收集、并经过第二红外滤波装置滤波后入射到第二红外探测器阵列上进行探测分析，第二红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第二红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测。
2.根据权利要求1所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法，其特征在于：所述的光学元件前、后表面进行分区域的二维扫描，从而实现对光学元件表面全覆盖的成像检测。
3.光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，其特征在于：包括有相对光学元件前表面设置的泵浦光源，设置于泵浦光源发射端和光学元件前表面之间的泵浦光束调制装置，相对光学元件前表面设置的第一红外成像装置，依次设置于第一红外成像装置后端的第一红外滤波装置和第一红外探测器阵列，相对光学元件后表面设置的第二红外成像装置，依次设置于第二红外成像装置后端的第二红外滤波装置和第二红外探测器阵列，分别与泵浦光束调制装置、第一红外探测器阵列、第二红外探测器阵列连接的锁相放大检测装置。
4.根据权利要求3所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，其特征在于：所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有设置于泵浦光束调制装置和光学元件前表面之间的泵浦光束整形处理装置。
5.根据权利要求3所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，其特征在于：所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有相对光学元件后表面设置的泵浦光吸收装置。
6.根据权利要求3所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置，其特征在于：所述的光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像装置还包括有用于固定光学元件的样品装夹扫描装置。
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