CN106501279A - 一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法 - Google Patents

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聂凤明
郭成君
裴宁
张广平
纪淑花
朱鸿磊
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Abstract

本发明涉及一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，该方法通过测试仪器准备、样品表面损伤的检测来获得待测样品的布儒斯特角，并进一步利用该布儒斯特角表征样品的表界面粗糙度。其中，测试仪器包括刻度盘、载物台、激光器、第一偏振片、光强度计及第二偏振片，结构简单、成本低，利用线偏振光准确地测出了入射到样品上的光线的布儒斯特角大小，并以此表征样品的表界面粗糙度，可将测量偏差保持在1/100以内，检测结果准确率高，且检测方法简单、快速，对待检测样品的表面无损伤；同时，本发明的方法还可以用于测量光学元件其他的微表面结构，并能达到纳米量级的表面微结构的检测，为制备出高质量的高损伤阈值薄膜提供了条件。

Description

一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法
技术领域
本发明涉及一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法。
背景技术
高质量硬脆材料检测技术是制备高损伤阈值薄膜的前提条件,而高损伤阈值薄膜已成为高功率激光装置研制的核心问题之一,是限制激光系统向高能量、高功率方向发展的主要瓶颈。
硬脆光学材料在其制造过程中形成的表面和亚表面缺陷会在一定能量的激光辐照下,在局部产生高温,造成元件损伤。因此,研究硬脆光学材料亚表面的检测技术,有着重要的现实意义和应用前景。被测光学元件的散射光包含的信息主要有两方面,一是强度信息,可以用双反射分布函数来描述；二是偏振信息,可以用偏振度、退偏度来描述。激光作为目前广泛使用的一种优质光源,其发出的光一般是线偏振光,是研究线偏振光反射时的偏振状态信息就非常重要。
本发明提供一种利用线偏振光实现对硬脆光学材料低亚表面损伤的检测方法，该方法在现有技术中未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种测试方法简单、能快速测得硬脆光学材料低亚表面损伤的检测方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测试仪器准备
所述的测试仪器包括刻度盘、载物台、激光器、第一偏振片、光强度计及第二偏振片，所述刻度盘能转动的设于一水平台面上，该刻度盘的上表面边缘具有沿圆周方向布置的刻度线，所述载物台设于刻度盘的中间并用以固定待测样品；
所述激光器靠近刻度盘的边缘布置，且该激光器射出的入射光线恰好能打在刻度盘及载物台的中心位置，所述第一偏振片设于激光器与刻度盘之间并用以过滤入射光线中的非线偏振光；
所述光强度计靠近刻度盘的边缘布置并用以检测反射光线的光强数据，所述第二偏振片设于光强度计与刻度盘之间并用以过滤反射光线中的非线偏振光；
(2)样品表面损伤的检测
调节载物台至水平，将片状的待测样品垂直固定在载物台上，打开激光器及光强度计，转动刻度盘带动载物台上的样品转动，从而调节入射角度，用光强度计记录各位置反射光的光强，并同时记录各位置对应的入射角，其中，光强最弱的位置所对应的入射角即为布儒斯特角；
(3)利用测得的布儒斯特角表征样品的表界面粗糙度。
采用本发明的检测方法，当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角，用θb表示。
下式为布儒斯特定律，其中，n1、n2分别为两种介质的折射率，
在偏振理论计算时，引入Debye-Wakker因子来描述界面粗糙度，即
其中，σ为材料的表界面粗糙度，为材料的复折射率，θb为正入射角，λ为入射光的波长，在非理想表界面时，Debye-Wakker因子趋近于1，Rj为材料的反射光光强，即
RjDW＝Rj
因此，入射角即等于布儒斯特角，可表征出表界面粗糙度。
在本发明的方案中，所述第一偏振片垂直入射光方向布置，所述第二偏振片垂直反射光方向布置。实验室中进行材料的表面损伤检测时常用到激光作为光源，气体激光器往往要求在输出光束的光路中不能有丝毫的损耗，这就需要采用布儒斯特窗并在布氏角下入射，使rp＝0但tp＝1(rp为P偏振的入射光，tp为P偏振的透射光)，也就是P偏振分量照射到布儒斯特窗片上的透过率是100％而不产生损耗。以布儒斯特角入射的自然光经过某一介质材料表面的反射和透射后就会使一部分的s偏振光被反射而透过的是P偏振光和剩余的S偏振光，利用这一原理可获得透射为纯洁的平面偏振光。考虑到自然光在介质分界面上同时存在反射和折射，可以把它分解为两部分：一部分是光矢量平行与入射面的P波；另一部分是光矢量垂直于入射面的S波。因此，反射光和折射光一般地就成为偏振光。当入射光的入射角等于布儒斯特角时，反射光成为线偏振光。根据这一原理，可以利用偏振片来获得线偏振光。
在上述各方案中，所述激光器的功率为3～5W。当所述光强度计记录的光强数据在0～300流明/min范围内时，认为光强达到最弱。
为了确保测量准确，步骤(2)中在刻度盘转动过程中，始终保持激光器发出的入射光线打在载物台中心所在的轴心线上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法所需要的测试仪器结构简单，利用线偏振光准确地测出了入射到样品上的光线的布儒斯特角大小，并以此表征样品的表界面粗糙度，可将测量偏差保持在1/100以内，检测结果准确率高，且检测方法简单、快速，对待检测样品的表面无损伤；同时，本发明的方法还可以用于测量光学元件其他的微表面结构，并能达到纳米量级的表面微结构的检测，为制备出高质量的高损伤阈值薄膜提供了条件。
附图说明
图1为本发明实施例中测试仪器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例的硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法包括以下步骤：
(1)测试仪器准备
如图1所示，测试仪器包括刻度盘1、载物台2、激光器3、第一偏振片4、光强度计5及第二偏振片6，刻度盘1能转动的设于一水平台面上，该刻度盘1的上表面边缘具有沿圆周方向布置的刻度线，载物台2成形为圆盘状并设于刻度盘2的中间，用以固定待测样品10，载物台2与刻度盘1同轴布置并能随刻度盘1的转动而转动。
激光器3靠近刻度盘1的边缘布置，且该激光器3射出的入射光线恰好能打在刻度盘1及载物台2的中心位置，第一偏振片4设于激光器3与刻度盘1之间并用以过滤去除电场方向垂直入射面的S偏振分量，得到线偏振光。光强度计5靠近刻度盘1的边缘布置并用以检测反射光线的光强数据，第二偏振片6设于光强度计5与刻度盘1之间并用以过滤反射光线中的非线偏振光。本实施例中的第一偏振片4、第二偏振片6为玻璃片。
(2)样品表面损伤的检测
调节载物台2至水平，将片状的待测样品10三硼酸锂(Li B3O5)晶体垂直固定在载物台2中间，打开激光器3及光强度计5，将激光器3的功率调节至5W，转动刻度盘1带动载物台2上的样品转动，从而调节入射角度，该过程中，始终保持激光器3发出的入射光线打在载物台2中心所在的轴心线上，第一偏振片4与入射光方向相垂直，第二偏振片6与反射光方向相垂直；用光强度计5记录该过程中各位置反射光的光强，并同时记录各位置对应的入射角，其中，光强最弱的位置所对应的入射角即为布儒斯特角；在本实施例中，当光强度计5记录的光强数据在0～300流明/min范围内时，认为光强达到最弱。本实施例中测得三硼酸锂(Li B3O5)晶体的布儒斯特角为45°。
(3)利用测得的布儒斯特角表征样品的表界面粗糙度，该样品的表界面粗糙度为Ra＝1.25nm。

Claims (5)

1.一种硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测试仪器准备
所述的测试仪器包括刻度盘、载物台、激光器、第一偏振片、光强度计及第二偏振片，所述刻度盘能转动的设于一水平台面上，该刻度盘的上表面边缘具有沿圆周方向布置的刻度线，所述载物台设于刻度盘的中间并用以固定待测样品；
所述激光器靠近刻度盘的边缘布置，且该激光器射出的入射光线恰好能打在刻度盘及载物台的中心位置，所述第一偏振片设于激光器与刻度盘之间并用以过滤入射光线中的非线偏振光；
所述光强度计靠近刻度盘的边缘布置并用以检测反射光线的光强数据，所述第二偏振片设于光强度计与刻度盘之间并用以过滤反射光线中的非线偏振光；
(2)样品表面损伤的检测
调节载物台至水平，将片状的待测样品垂直固定在载物台上，打开激光器及光强度计，转动刻度盘带动载物台上的样品转动，从而调节入射角度，用光强度计记录各位置反射光的光强，并同时记录各位置对应的入射角，其中，光强最弱的位置所对应的入射角即为布儒斯特角；
(3)利用测得的布儒斯特角表征样品的表界面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于：所述第一偏振片垂直入射光方向布置，所述第二偏振片垂直反射光方向布置。
3.根据权利要求1所述的硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于：所述激光器的功率为3～5W。
4.根据权利要求1所述的硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于：当所述光强度计记录的光强数据在0～300流明/min范围内时，认为光强达到最弱。
5.根据权利要求1所述的硬脆光学材料的低亚表面损伤检测方法，其特征在于：步骤(2)中在刻度盘转动过程中，始终保持激光器发出的入射光线打在载物台中心所在的轴心线上。
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