CN109444166A - 一种大口径光学元件表面吸收型缺陷分布快速成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布的快速成像方法，运用高能量脉冲激光经准直扩束形成大尺寸激励光斑对光学元件进行照射加热，光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷在样品内形成瞬态温度分布及折射率分布。经过一定延时后，运用另一束低能量脉冲激光经准直扩束形成大尺寸探测光斑穿过光学元件被照射的相同区域，其衍射光场分布由CCD记录。通过控制激励和探测激光脉冲之间的延时并分析CCD记录的衍射光场图像特征确定光学元件被照射区域是否存在吸收型缺陷以及相应特征。本方法保留了传统光热透镜技术探测灵敏度和分辨率高等优点，并极大地提高了单次探测面积，使大口径光学元件吸收型缺陷分布的快速检测成为可行。

Description

一种大口径光学元件表面吸收型缺陷分布快速成像的方法
技术领域
本发明涉及光学元件检测领域，特别涉及一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布的高分辨、快速、无损成像探测的方法。
背景技术
光吸收特性是衡量光学元件质量的一个重要指标。对于强激光系统而言，光学元件吸收损耗分布的表征与控制尤为重要，因为吸收中心会导致激光能量损失、局域温升增强、光束质量下降、甚至激光损伤的发生。在导致上述问题的诸多原因中，光学元件的表面和亚表面吸收型缺陷是一个主要原因。与体吸收型缺陷相比，表面和亚表面吸收型缺陷更为常见。大量实践表明，实际测得的光学元件激光损伤阈值远低于理论估算的材料体损伤阈值。这是由于光学元件表面加工工艺带来的表面缺陷数量远多于体缺陷，而导致最终强激光损伤的缺陷也多为表面和亚表面吸收型缺陷。
在表征光学元件吸收特性的诸多技术中，光热吸收测量系列技术具有无损、非接触、高空间分辨率(最高可达亚微米量级)、高灵敏度(弱吸收测量优于0.1ppm)等优点，已经成为光学元件吸收特性表征的一大主流无损检测手段。光热吸收测量系列技术包括激光量热技术、基于光热表面形变(热弹效应)的光热偏转技术、基于光热折射率变化(热光效应)的光热透镜技术等。以光热透镜技术为例，其测量原理为：用一束聚焦的加热激光束照射光学元件，光学元件的光吸收特性以及热扩散特性会导致样品中产生具有一定特征的温升分布；根据热光效应理论，上述温升分布伴随着材料折射率改变的分布；然后用另一束探测激光经过该折射率改变的区域从而产生衍射，通过探测衍射光场的分布特征来确定光学元件的光吸收特性。该方法已经广泛应用于光学、化学、生物等各种材料光吸收特性的无损表征中。
然而，针对大口径光学元件(尺寸一般在100×100mm2以上)吸收特性空间分布成像的需求，上述基于聚焦激光激励、单点探测器测量的光热技术在逐点扫描模式下需要花费极长的时间才能完成覆盖整个光学元件的成像：假设逐点扫描的步长为50μm，每个测量点需要 1s的数据采集、处理、和移动到下一个测量点的时间(已经很快)，那么完成一个400×400mm2的元件检测需要大约2年的时间，显然缺乏技术现实性；如果为了加快扫描速度而增大扫描步长、减少探测点数，那么这种成像检测对于大口径光学元件而言只能算是随机抽样，其缺陷探测的随机性将使得表征效果大打折扣。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何在保留传统光热技术高灵敏度、高空间分辨率的优点同时，利用大尺寸激励与检测光斑以及CCD的面探测能力，提高单次探测面积，使大口径光学元件吸收型缺陷分布的快速检测成为可行。
为实现上述目的，本发明提出一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其测量系统包括激励激光1及其扩束系统2、探测激光3及其扩束系统4、合束镜5、4f系统8、窄带滤光片9、CCD10、和同步系统11，其特征在于：
运用高能量脉冲激光1、经过准直扩束系统2后对光学元件6进行照射加热，光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷7由于光吸收产生的温升以及热扩散在样品内形成瞬态温度分布以及折射率分布，经过一定的时间延迟后，运用另一束低能量脉冲激光3、经过准直扩束系统4和合束镜5，形成大尺寸探测光斑穿过光学元件被高能量激光脉冲1照射的相同区域，其衍射光场分布经4f光学系统8和窄带滤光片9后被CCD10记录。通过控制激励激光脉冲和探测激光脉冲之间的延迟时间并分析CCD记录的衍射光场图像特征确定光学元件被照射区域是否存在吸收型缺陷以及相应特征。
所述的激励激光1为高能量(>0.1J)脉冲激光，可以在不出现激光损伤的条件下在较大的照射区域内将光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷瞬间加热到很高的温度。
所述的探测激光3为波长短(在紫外或可见波段，如266nm)、光束质量高(M2<2)、脉冲能量低(<10mJ)的脉冲激光。
所述的准直扩束系统2和4分别实现激励光束与探测光束的准直与扩束，形成强度均匀的大尺寸光斑，且在光学元件被照射区域探测光斑尺寸大于激励光斑尺寸。
所述的大口径光学元件的待检表面为激励光入射的另一面。
所述的探测光斑通过光学元件折射率分布区域后的衍射光场分布采用近场探测，探测平面与被测光学元件待检表面的最优距离近似为4πDt/λ，其中λ为探测激光波长，D为光学元件的热扩散率，t为激励脉冲与探测脉冲之间的延迟时间。
所述的4f光学系统8将所述的探测平面衍射光场分布成像到CCD探测面实现近场探测，且衍射光场分布被CCD完全探测。
所述的窄带滤光片9放置于CCD10前，完全滤除激励光、仅通过探测光。
所述的CCD10对探测光敏感。
所述的同步系统11控制激励激光脉冲与探测激光脉冲之间的延迟时间，同时产生CCD 的触发信号。
所述的激励激光脉冲与探测激光脉冲之间的最佳延迟时间为光学元件热扩散率和CCD 单像素有效探测尺寸的函数，可通过理论计算或实验确定。
所述的探测激光的脉冲重复频率设为激励激光重复频率的两倍，CCD的触发信号与探测激光脉冲严格同步，吸收型缺陷产生的探测激光衍射光场分布变化由两相邻探测激光脉冲之间的光场分布差值确定，最终分析的CCD图像为多次测量取平均的图像。
所述的一幅CCD图像反映大尺寸光斑覆盖区域的吸收型缺陷分布及特征，通过将光学元件放置于二维扫描台并用大尺寸光斑扫描整个样品被测区域得到光学元件表面及亚表面吸收型缺陷的整体分布及特征。
本发明的有益效果是：可以实现大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像，在保留传统光热技术高灵敏度、高空间分辨率的优点同时，利用大尺寸激励与检测光斑以及 CCD的面探测能力，极大地提高了单次探测面积，使基于光热技术的大口径光学元件吸收型缺陷分布的快速检测成为可行。
附图说明
图1为本发明的实验系统示意图，其中1为激励激光、2为激励激光的准直扩束系统、3 为探测激光、4为探测激光的准直扩束系统、5为合束镜、6为待测光学元件、7为光学元件的表面吸收型缺陷、8为4f系统、9为窄带滤光片、10为CCD、11为同步系统。
图2为熔石英元件表面存在一个1μm3的吸收型缺陷被高能量脉冲激励激光瞬间加热到1000K后，不同延时下样品中的瞬态温度分布以及探测平面上衍射光场的径向分布。(a)为 1μs延时下样品中的瞬态温度分布，(b)为1μs延时下最佳探测平面上衍射光场的径向分布，此时最佳探测距离为40μm，(c)为10μs延时下样品中的瞬态温度分布，(d)为10μs延时下最佳探测平面上衍射光场的径向分布，此时最佳探测距离为400μm。
图3为考虑了面阵探测器像素尺寸以及探测像素点和衍射光斑之间相对位置的不同随机情况下CCD光热信号与激励探测激光脉冲之间相对时延的关系。
具体实施方式
下面结合图1-3具体描述本发明提出的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：
(1)搭建实验系统。搭建如图1所示的基于面阵探测器的脉冲激励、脉冲探测光热透镜技术实验系统，包括激励激光1及其准直扩束系统2、探测激光3及其准直扩束系统4、合束镜5、4f系统8、窄带滤光片9、CCD10、和同步系统11。
a.调节激励激光1使之使之按一定角度(一般情况下入射角≤5度)入射样品表面，激励激光1选取355nm、1J、10ns脉冲激光，可以在不出现激光损伤的条件下将吸收型缺陷6瞬间加热到很高的温度(例如1000K)。
b.选取266nm、1mJ、10ns脉冲激光激光作为探测光，短波长的探测光可以使光热透镜衍射信号的探测灵敏度更高。
c.调节探测激光3和合束镜5，使探测激光经过合束镜后与激励激光合束或者相交于一定角度(一般情况下夹角≤10度)。
d.通过调节准直扩束系统2和4来调节激励与探测光在待测熔石英元件的后表面上的光斑尺寸。
e.在CCD10前放置窄带滤光片9，使之完全滤除激励光、仅通过探测光。
f.采用在探测光波长高灵敏的高像素数的CCD，例如像素数为1000×1000。
g.设计同步系统11，使得激励与探测光脉冲之间的延迟时间可以精确控制，同时可以产生CCD的触发信号。
(2)优化系统核心参数。上述基于面阵探测器的脉冲激励、脉冲探测光热透镜技术实验系统，需要优化的核心参数包括激励与探测光脉冲之间的延迟时间以及样品待测表面与衍射光场探测平面的距离，而这两个参数的最优设置与样品材料的热扩散率、吸收型缺陷尺寸、 CCD单像素有效探测尺寸等因素相关。
a.假设待测样品为熔石英元件，其表面存在一个1μm3的吸收型缺陷。
b.假设激励激光1可以将该吸收型缺陷瞬间加热到1000K(没有超过熔石英元件的损伤阈值)。
c.假设激励光斑尺寸为5×5mm2，该区域全部被4f系统投射到CCD探测面阵，于是CCD 单像素的有效探测尺寸为5μm。
d.调节4f系统与待测熔石英元件之间的距离。由于采用近场探测，探测平面与光学元件待检表面的最优距离为4πDt/λ，其中λ＝266nm为探测光波长，D＝8.5×10-7m2/s为熔石英材料的热扩散率，t为激励与探测光之间的时延。
图2所示为熔石英元件表面存在的1μm3吸收型缺陷被激励激光瞬间加热到1000K后，在不同延时下样品中的瞬态温度分布，以及在最佳探测距离z＝4πDt/λ下衍射光场的径向分布。图中，温度场颜色棒的数值代表绝对温升，延时量在每张图中均给出，在衍射光场径向分布的图中也给出了相应的探测距离。对应于初始温升为1000K的情况，在1μs的延时下，衍射场中心位置的相对光强大约在0.15，但是此时衍射光斑的尺寸非常小，大约在几个微米；随着延时增大，温度分布的扩散面积越来越大，衍射光斑的尺寸也在增大，但是衍射光场的强度也在不断降低。
接下来考虑衍射光斑中心与CCD单像素之间相对位置的随机性问题。在CCD单像素的有效探测尺寸为5μm的情况下，图3展示了最佳、一般、最差三种随机情况下CCD光热信号与激励探测激光相对时延的关系，从中可以看出，这三种随即情况都存在一个最优的延迟时间、对应着最大的CCD光热信号；不同随机情况对应着不同最佳延时，为了照顾到所有情况、避免漏探缺陷，选择最差情况所对应的最佳延时。在本例中最佳延时为6μs，最佳探测距离为240μm。
(3)吸收型缺陷分布成像测量。按照上述方法搭建的实验系统可以实现吸收型缺陷分布的成像探测。
a.探测光的脉冲重复频率可以设为20Hz，激励光的重复频率可以设为10Hz，CCD的触发信号与探测光脉冲严格同步，此时其帧率也为20Hz。在每个周期内，探测光的第一个脉冲经过没有被加热的样品后被CCD记录，作为背景图像；探测光的第二个脉冲与激励光脉冲之间有一个上述的最佳延时，经过被加热后的样品，其衍射图像被CCD记录，作为信号图像。
b.吸收型缺陷产生的探测激光衍射光场分布变化由两相邻探测激光脉冲之间的光场分布差值确定，即上述信号图像与背景图像的差值。最终分析的CCD图像为多次测量取平均的图像。假设成像时间有10s，那么在激励光重复频率为10Hz的情况下，可以得到100次平均的结果，足以保证光热信号测量的信噪比。
c.上述的一幅CCD图像反映5×5mm2光斑覆盖区域的吸收型缺陷分布及特征，通过将 400×400mm2的元件放置于二维扫描台并用该光斑扫描整个样品，大约需要18个小时即可得到该元件表面及亚表面吸收型缺陷的整体分布及特征，具有技术现实性，与传统基于聚焦激光激励、单点探测器测量的光热逐点扫描成像模式相比，在成像检测速度上具有本质的提高。
本发明提出了一种基于面阵探测器的脉冲激励、脉冲探测光热透镜方法，可以实现大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像，在保留传统光热技术高灵敏度、高空间分辨率的优点同时，利用大尺寸激励与检测光斑以及CCD的面探测能力，极大地提高了单次探测面积以及全样品扫描速度，使基于光热技术的大口径光学元件吸收型缺陷分布快检成为可行。

Claims (13)

1.一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：运用高能量脉冲激光1、经过准直扩束系统2后对光学元件6进行照射加热，光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷7由于光吸收产生的温升以及热扩散在样品内形成瞬态温度分布以及折射率分布，经过一定的时间延迟后，运用另一束低能量脉冲激光3、经过准直扩束系统4和合束镜5，形成大尺寸探测光斑穿过光学元件被高能量激光脉冲1照射的相同区域，其衍射光场分布经4f光学系统8和窄带滤光片9后被CCD10记录。通过控制激励激光脉冲和探测激光脉冲之间的延迟时间并分析CCD记录的衍射光场图像特征确定光学元件被照射区域是否存在吸收型缺陷以及相应特征。
2.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：激励激光1为高能量(>0.1J)脉冲激光，可以在不出现激光损伤的条件下在较大的照射区域内将光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷瞬间加热到很高的温度。
3.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：探测激光3为波长短(在紫外或可见波段，如266nm)、光束质量高(M2<2)、脉冲能量低(<10mJ)的脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：准直扩束系统2和4分别实现激励光束与探测光束的准直与扩束，形成强度均匀的大尺寸光斑，且在光学元件被照射区域探测光斑尺寸大于激励光斑尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：大口径光学元件的待检表面为激励光入射的另一面。
6.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：探测光斑通过光学元件折射率分布区域后的衍射光场分布采用近场探测，探测平面与被测光学元件待检表面的最优距离近似为4πDt/λ，其中λ为探测激光波长，D为光学元件的热扩散率，t为激励脉冲与探测脉冲之间的延迟时间。
7.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：4f光学系统8将权利要求6所述的探测平面衍射光场分布成像到CCD探测面实现近场探测，且衍射光场分布被CCD完全探测。
8.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：放置于CCD10前的窄带滤光片9完全滤除激励光、仅通过探测光。
9.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：CCD10对探测光波长敏感。
10.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：同步系统11控制激励激光脉冲与探测激光脉冲之间的延迟时间，同时产生CCD的触发信号。
11.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：激励激光脉冲与探测激光脉冲之间的最佳延迟时间为光学元件热扩散率和CCD单像素有效探测尺寸的函数，可通过理论计算或实验确定。
12.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：探测激光的脉冲重复频率设为激励激光重复频率的两倍，CCD的触发信号与探测激光脉冲严格同步，吸收型缺陷产生的探测激光衍射光场分布变化由两相邻探测激光脉冲之间的光场分布差值确定，最终分析的CCD图像为多次测量取平均的图像。
13.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其特征在于：一幅CCD图像反映大尺寸光斑覆盖区域的吸收型缺陷分布及特征，通过将光学元件放置于二维扫描台并用大尺寸光斑扫描整个样品被测区域得到光学元件表面及亚表面吸收型缺陷的整体分布及特征。
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