CN105737982A - 一种光热偏转光谱检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种光热偏转光谱检测装置及检测方法，检测装置主要包括泵浦激光器、检测激光器、检测腔体、光位置探测器以及信号调制、放大、采集分析等装置。检测时将泵浦光照射到待测薄膜上，待测薄膜吸收泵浦光后产生加热效应，在附近介质中形成折射率梯度；将检测光入射至待测薄膜上方具有折射率梯度的区域，使用光位置探测器探测检测光通过所述区域后的偏转量；本发明检测装置在检测腔体内的检测光路中加入两个平行反射镜，在检测腔体内发生偏转的检测光在两个反射镜之间来回振荡，反复通过具有折射率梯度的介质区域，使检测光发生偏转的角度增大，提高了光热偏转光谱检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种光热偏转光谱检测装置，特别适用于光学薄膜检测。本发明还涉及光热偏转光谱检测方法。
背景技术
光学薄膜是光学系统中不可或缺的基本元件，它的性能影响着整个光学系统的性能，它的很大一部分损伤来自于薄膜吸收，因此研究光学薄膜吸收损耗，对薄膜损伤机理的研究非常重要。
目前，激光量热技术和光热偏转技术等光热技术已成功应用于光学薄膜微弱吸收测量领域。现有的光热偏转光谱检测技术通常将一束可由待测薄膜吸收的泵浦光照射到待测薄膜上，待测薄膜吸收泵浦光产生热量，在吸收点附近产生热梯度，再将一束检测光通过具有温度梯度的区域，检测光会产生偏转，探测检测光偏转量来获得待测薄膜损伤程度的检测结果。通常的光热偏转光谱检测装置由泵浦光源、检测光源、检测腔体、光位置探测器等构成，待测薄膜放置在检测腔体中，泵浦光源发出泵浦光照射待测薄膜，检测光源发出的检测光通过检测腔体后由光位置探测器进行检测；检测装置一般还包括采集分析检测信号的A/D转换模块和电脑主机以及为提高检测灵敏度的信号调制、放大等辅助装置。
现有的通过光热偏转检测薄膜的技术还存在检测灵敏度不够高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有更高灵敏度的光热偏转光谱检测装置及检测方法。
本发明检测装置的技术方案为：
一种光热偏转光谱检测装置，包括泵浦激光器、检测激光器、检测腔体、光位置探测器、放大器模块、A/D转换模块和电脑主机；其中：
所述检测腔体中设置有样品台，待测薄膜放置于所述样品台上；所述泵浦激光器发射待测薄膜可吸收的泵浦光，所述检测激光器发射待测薄膜不可吸收的检测光；所述泵浦光耦合入检测腔体内并照射在所述待测薄膜上；所述光位置探测器设置在检测腔体的出射光路中，与所述放大器模块连接；放大器模块通过所述A/D转换模块与电脑主机连接；所述检测腔体中包含前反射镜和后反射镜，二反射镜相对布置于样品台两侧，其镜面相互平行，二反射镜对所述检测光部分透射部分反射；所述检测光由前反射镜入射检测腔体，检测光掠过待测薄膜上方且在二反射镜间反射振荡，检测腔体内的光束透射后反射镜出射。
优选地，作为对所述检测光部分透射部分反射的反射镜，所述前反射镜和后反射镜对检测光的反射率限制在大于10%且小于100%的范围。
优选地，所述检测光的光功率大于1mW，为避免通过透射前反射镜耦合入检测腔体内的检测光太弱而无法检测到信号。
优选地，所述检测腔体内还设置有聚焦透镜，泵浦光通过聚焦透镜耦合入检测腔体内。
优选地，所述后反射镜和光位置探测器之间设置滤光片，所述滤光片对泵浦光吸收，对检测光高透。通过滤光片滤除泵浦光，使光位置探测器仅探测到检测腔体出射光中的检测光部分。
优选地，所述光位置探测器为二象限探测器或四象限探测器，或根据实际需要选择适用的其它类型光位置探测器。
优选地，所述检测装置还包括用于归一化信号的分束器和光强探测器，以消除由于泵浦光功率波动而引起的测量误差；所述分束器设置于泵浦光光路中，分束器的分束光路中设置所述光强探测器，光强探测器通过所述A/D转换模块与电脑主机连接。
优选地，所述检测装置还包括设置于泵浦光光路中的斩波器，所述斩波器位于检测腔体前端；所述放大器模块由前置放大器和锁相放大器组成，所述光位置探测器通过所述前置放大器连接所述锁相放大器被测信号端，锁相放大器参考信号端连接斩波器，锁相放大器输出端通过A/D转换模块连接电脑主机。
本发明检测方法的技术方案为：
一种光热偏转光谱检测方法，包括步骤为：将一束可由待测薄膜吸收的泵浦光照射到待测薄膜上，待测薄膜吸收泵浦光后在吸收点附近区域的介质中形成折射率梯度；再将一束不可由待测薄膜吸收的检测光入射至待测薄膜上方具有折射率梯度的介质区域，控制检测光在待测薄膜上方反射振荡，使检测光反复穿过所述介质区域；探测出射的检测光的偏转量并采集检测数据。
本发明检测装置在检测腔体内的检测光路中加入两个平行的反射镜，当检测光入射到具有折射率梯度的介质区域时发生偏转，发生偏转的检测光在两个反射镜之间来回振荡，反复通过具有折射率梯度的介质区域，使检测光发生偏转的角度增大，光热偏转光谱检测灵敏度也随之提高。
附图说明
图1为光热偏转光谱检测装置结构示意图；
图2为本发明检测装置的检测腔体结构及工作原理示意图；
图3为光位置探测器为二象限探测器时检测结果示意图，图3a为检测光束未偏转时的结果；图3b为在普通光热偏转光谱检测装置中检测光束发生偏转时的结果；图3c为在本发明光热偏转光谱检测装置中检测光束发生偏转时的结果。
其中：
1：泵浦激光器；2：分束器；3：光强探测器；4：电脑主机；5：A/D转换模块；6：斩波器；7：检测腔体；7-1：聚焦透镜；7-2：样品台；7-3：前反射镜；7-4：后反射镜；8：检测激光器；9：光位置探测器；10：放大器模块；10-1：前置放大器；10-2：锁相放大器；11：待测薄膜；Z1：第一象限；Z2：第二象限；F1、F2、F3：光斑；B1：泵浦光；B2：分束光；D1：检测光；L1、L2、L3、L4、L1′、L3′：光束。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
本发明光热偏转光谱检测装置的结构如图1和图2所示。本发明检测装置包括泵浦激光器1、检测激光器8、检测腔体7、光位置探测器9、分束器2、光强探测器3、斩波器6、放大器模块10、A/D转换模块5和电脑主机4，放大器模块10由前置放大器10-1和锁相放大器10-2组成；图2所示为图1中检测腔体7的具体结构，检测腔体7内设置有聚焦透镜7-1、样品台7-2、前反射镜7-3和后反射镜7-4；光位置探测器9和后反射镜7-4之间的光路中还设置有滤光片（图中未示出）；所述检测装置的具体结构与工作方式如下：
泵浦激光器1发射激光束作为泵浦光B1，当检测腔体7内的待测薄膜11对泵浦光B1的吸收越强或者泵浦光B1的光强越强，所产生的光热偏转信号就越强，检测灵敏度也就越高。本发明实施方式对使用的泵浦激光器类型没有特定限制，可以选择固体激光器、气体激光器或者半导体激光器，可以选择连续激光器或者脉冲激光器，可以选择可调谐激光器或者单一波长的激光器，只要检测腔体7内的待测薄膜11能对泵浦激光产生吸收即可；
检测激光器8发射激光束作为检测光D1，选择检测光D1波长使其不被检测腔体7内的待测薄膜11吸收；对检测激光器8的类型没有特定限制，可以选择固体激光器、气体激光器或者半导体激光器，可以选择连续激光器或者脉冲激光器，可以选择可调谐激光器或者单一波长的激光器；
泵浦激光器1发射的泵浦光B1首先通过分束器2，分束器2作用是从泵浦光B1中分束出一小部分功率的光形成分束光B2；分束光B2入射到光强探测器3中作为归一化信号，以消除由于泵浦光B1功率波动而引起的测量误差；光强探测器3将接收到的归一化信号通过A/D转换模块5输入到电脑主机4中；
泵浦光B1透过分束器2后入射至斩波器6，斩波器6通过斩波给泵浦光B1一个周期性调制信号，斩波器6的信号连接输入锁相放大器10-2的参考信号端；
检测腔体7中的样品台7-2上放置待测薄膜11，泵浦光B1和检测光D1均耦合入检测腔体7；自检测腔体7出射的包含检测光D1和泵浦光B1的光束先经过滤光片，滤光片对泵浦光B1吸收，对检测光D1高透，透过滤光片的检测光D1部分由光位置探测器9探测偏转信号，光位置探测器9选择二象限探测器或四象限探测器；
光位置探测器9探测到的信号输入到前置放大器10-1中，然后再输入到锁相放大器10-2的被测信号端，锁相放大器10-2根据参考信号端接收的斩波器6的信号可抑制光学噪声；锁相放大器10-2输出端通过A/D转换模块5连接电脑主机4，将检测信号输入电脑主机4中完成数据采集分析。
图2所示是图1中检测腔体7的具体结构，其中：待测薄膜11位于相对设置在样品台7-2两侧的前反射镜7-3和后反射镜7-4之间，两个反射镜被调成严格平行，选择所述反射镜使其对检测光D1部分反射部分透射，具体实施过程中，两个反射镜的反射率可在大于10%和小于100%的范围内选择；检测光D1由前反射镜7-3入射检测腔体7，为避免耦合入检测腔体内的检测光太弱而无法检测到信号，选择检测光的光功率应大于1mW；光位置探测器9设置在后反射镜7-4光路中以探测检测腔体7透过后反射镜7-4的出射光；泵浦光B1通过聚焦透镜7-1聚焦到待测薄膜11上，待测薄膜11吸收泵浦光B1产生热量，在被吸收点附近介质区域产生温度梯度，因介质折射率为温度函数，在待测薄膜11上方附近介质中形成折射率梯度区域；如图2，检测光D1透射前反射镜7-3后的光束L1近处掠过待测薄膜11的上方，因越靠近待测薄膜11空气的温度越高，即折射率越小，光束L1经过该区域时向上偏转；光束L1到达后反射镜7-4时，部分反射成为光束L2，另一部分透射后反射镜7-4出射为光束L1′，光束L1′入射光位置探测器9；发射的光束L2穿过空气中的折射率梯度区域，再次向上偏转，并到达前反射镜7-3反射为光束L3；光束L3再次到达后反射镜7-4，部分反射成为光束L2，另一部分出射为光束L3′到达光位置探测器9；检测腔体7内检测光的光线在两个反射镜之间振荡，光线每被反射一次都会因为经过折射率梯度的介质区域梯度而产生向上的偏转，总体上增加了光位置探测器9探测到的检测光偏转角度。
本发明的检测方法既适合透明物质，也适合非透明物质，以光位置探测器9采用二象限探测器的实施方式为例，其检测效果如图3a、图3b和图3c所示。图3a为没有偏转的检测光束入射光位置探测器9，其产生的光斑F1在光位置探测器9的第一象限Z1和第二象限Z2中的面积相同，两个象限中探测到的光强比是1；图3b为检测光束在通常的光热偏转设备中偏转后入射光位置探测器9，由于光发生偏转，光斑F2落入上方的第一象限Z1中面积要大于下方的第二象限Z2中的面积，因此第一象限Z1和第二象限Z2中的光强比大于1，数值越大说明光偏转越强；采用本发明的技术方案进行检测时，检测光束偏转后光斑F3落入第一象限Z1和第二象限Z2部分的光强比更大，使探测具有更高灵敏度。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种光热偏转光谱检测装置，包括泵浦激光器(1)、检测激光器(8)、检测腔体(7)、光位置探测器(9)、放大器模块(10)、A/D转换模块(5)和电脑主机(4)；其中：
所述检测腔体(7)中设置有样品台(7-2)，待测薄膜(11)放置于所述样品台(7-2)上；所述泵浦激光器(1)发射待测薄膜(11)可吸收的泵浦光(B1)，所述检测激光器(8)发射待测薄膜(11)不可吸收的检测光(D1)；所述泵浦光(B1)耦合入检测腔体(7)内并照射在所述待测薄膜(11)上；所述光位置探测器(9)设置在检测腔体(7)的出射光路中，与所述放大器模块(10)连接；放大器模块(10)通过所述A/D转换模块(5)与电脑主机(4)连接，其特征在于：
所述检测腔体(7)中包含前反射镜(7-3)和后反射镜(7-4)，二反射镜相对布置于样品台(7-2)两侧，其镜面相互平行，二反射镜对所述检测光(D1)部分透射部分反射；所述检测光(D1)由前反射镜(7-3)入射检测腔体(7)，检测光(D1)掠过待测薄膜(11)上方且在二反射镜间反射振荡，检测腔体(7)内的光束透射后反射镜(7-4)出射。
2.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述前反射镜(7-3)和后反射镜(7-4)对所述检测光(D1)的反射率大于10%且小于100%。
3.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述检测光(D1)的光功率大于1mW。
4.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述检测腔体(7)内还设置有聚焦透镜(7-1)，泵浦光(B1)通过聚焦透镜(7-1)耦合入检测腔体(7)内。
5.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述后反射镜(7-4)和光位置探测器(9)之间设置滤光片，所述滤光片对泵浦光(B1)吸收，对检测光(D1)高透。
6.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述光位置探测器(9)为二象限探测器或四象限探测器。
7.根据权利要求1所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括用于归一化信号的分束器(2)和光强探测器(3)，所述分束器(2)设置于泵浦光(B1)光路中，分束器(2)的分束光路中设置所述光强探测器(3)，光强探测器(3)通过所述A/D转换模块(5)与电脑主机(4)连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的光热偏转光谱检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括设置于泵浦光(B1)光路中的斩波器(6)，所述斩波器(6)位于检测腔体(7)前端；所述放大器模块(10)由前置放大器(10-1)和锁相放大器(10-2)组成，所述光位置探测器(9)通过所述前置放大器(10-1)连接所述锁相放大器(10-2)被测信号端，锁相放大器(10-2)参考信号端连接斩波器(6)，锁相放大器(10-2)输出端通过A/D转换模块(5)连接电脑主机(4)。
9.一种光热偏转光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一束可由待测薄膜吸收的泵浦光照射到待测薄膜上，待测薄膜吸收泵浦光后在吸收点附近区域的介质中形成折射率梯度；再将一束不可由待测薄膜吸收的检测光入射至待测薄膜上方具有折射率梯度的介质区域，控制检测光在待测薄膜上方反射振荡，使检测光反复穿过所述介质区域；探测出射的检测光的偏转量并采集检测数据。
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