CN110879229A - 基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法。该方法包括：寻找具有强三维量子限域效应的量子点标记物；对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率等特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；将量子点标记物添加到光学元件产生亚表面缺陷的加工工艺中，使用特定波长的激光激发元件表面及亚表面各类缺陷中的量子标记物，使其产生荧光反应；通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，实现亚表面缺陷的高效标记；在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取。本发明实现高效、低成本的亚表面缺陷深度信息检测。

Description

基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件亚表面缺陷深度的无损检测技术领域，具体涉及一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法。

背景技术

超精密光学元件的亚表面缺陷是导致激光聚变系统、高能激光武器以及光刻系统等国家重大工程中激光系统缺陷的主要内因，直接影响光学系统的使用性能、稳定性和激光损伤阈值等参数，甚至导致系统失效。但是在目前的加工条件下，亚表面损伤是不可避免的。

根据是否对光学元件产生破坏将表面/亚表面损伤的检测方法分为破坏性检测和非破坏性检测方法；

为不破坏工件表面，多采用非破坏性检测方法；但是目前的非破坏性检测方法检测效率较低、检测深度浅、检测周期长；并且只能对亚表面缺陷进行静态观测，无法评价缺陷在运动状态下动态变化。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决现有技术存在的检测效率低、检测深度浅的缺陷，提供一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其能够提高检测精度和检测效率，并可通过荧光显微镜实现对亚表面缺陷的动态观测。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

步骤1)：基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测；

步骤2)：对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；

步骤3)：利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于量子点标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；

步骤4)：检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光的高效标记；

步骤5)：采用立体视觉原理，对具有量子点标记物的光学元件亚表面缺陷进行三维显微荧光成像，根据亚表面缺陷中量子点成像位置的偏移量，计算出亚表面缺陷的深度信息。

步骤1)的具体方法为：通过在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止；

判断是否具有强三维量子限制效应的方法为：采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能级，根据量子点的能级判断该标记物是否具有强三维量子限制效应。

步骤3)的具体方法为：采用静电结合的方法，建立纳米粒子与量子点的能量转移体系，利用近场光学显微镜分析亚表面缺陷和表面重沉积层的荧光特性，利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应，由于标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系。

步骤4)的具体方法为：首先对不含量子点的光学元件进行荧光显微观测，设定合适的发光阈值，将低于阈值的荧光点等效为黑色背景，高于阈值的发光点视为由量子点激发所致，通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光信号的高效标记。

步骤5)的具体方法为：在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取；具体过程为：激光器发出光束垂直入射到样品表面，如果该处存在亚表面缺陷，则量子点标记物将附着在亚表面缺陷中，在激发光的作用下，亚表面缺陷内的量子点将产生荧光效应，并经过成像系统成像在光敏单元上，其端点坐标分别为A′和B′，由几何关系可得到亚表面缺陷深度与光敏单元上成像位置之间的关系：

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明通过对不同类型和尺寸的量子点的量子介电效应进行分析，确定量子点几何特征(形状、结构和尺寸)与带隙宽度、激子光束缚能的大小以及激子能量漂移之间的关系，分析量子点的强三维量子限域效应，为量子点的材料选择和制备提供理论指导和支撑；

2、本发明根据量子点自身独特的量子效应选择步骤1中具有强三维量子限制效应的量子点标记物，当颗粒尺寸达到纳米量级时，尺寸限制将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出不同于宏观体材料的物理化学性质，当量子点的尺寸小到一定程度时将处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带，形成量子介电效应；

3、本发明方法突破亚表面缺陷深度测量的技术瓶颈，实现高效、低成本的亚表面缺陷深度信息检测。

4、本发明通过将量子点标记物在亚表面缺陷中的非线性荧光效应与三维立体视觉技术相结合，实现对量子点标记的亚表面缺陷深度的测量，突破了亚表面缺陷深度测量的技术瓶颈，提高了亚表面缺陷深度信息的检测效率；

5、本发明在该量子点标记物与试件表面裂纹的相互作用下，量子点可嵌入到亚表面的不同深度，实现对亚表面缺陷深度的精确检测。

附图说明：

图1为本发明的方法流程图；

图2为具有强三维量子限制效应的量子点标记物特性研究的技术途径流程图；

图3为量子点标记物表征方法及工艺适应性和污染残留性质研究的技术途径流程图；

图4为量子点标记物的荧光特性与亚表面缺陷的关联关系研究的技术途径流程图；

图5为亚表面缺陷与表面重沉积层荧光特征差异及高效标记方法的技术途径流程图；

图6为基于荧光显微的亚表面缺陷深度信息高效测量技术研究的技术途径流程图；

图7为亚表面缺陷荧光信号的提取技术原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法的步骤为：

1、在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加具有不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间等现象的差异，寻找一种具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止。

采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能级。首先分析在一维方向上无限深势阱中量子限制效应的问题，无限深势阱中的粒子可用平面波函数展开：

ψ_j ^(x)＝∫C_j(k)φ(k)dk

其能级如下：

受限Bloch粒子的能级由下式决定：

由此可计算精确的限制Bloch电子的能级结构。利用材料的能带结构，将量子点的分立能级用体材料对应能带的Bloch波展开，计算量子点的分立能级；根据量子点的能级判断该标记物是否具有强三维量子限制效应；如图2所示；

2、对步骤1初步选择的用于亚表面缺陷检测的量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率等特性表征，分析研究该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；如图3所示；

对于亚表面缺陷上的量子点标记物，同时有两种作用力：

第一种作用力是试件表面与量子点之间的吸引力，这种力使得量子点经过试件表面时会有量子点附着在亚表面缺陷中；

第二种力是当研磨液流过试件表面时产生的流体作用力，这个力的作用效果可以去除试件表面的量子点。

在两种作用力的综合作用下，部分量子点标记物会嵌入亚表面缺陷，有利于对亚表面缺陷的检测；部分量子点会随着抛光液溜走，减少对光学元件表面的污染；部分量子点会残留在试件表面，对试件造成污染，影响检测效果。因此利用双光束紫外-可见光分光光度计测定量子点的紫外吸收光谱，根据光谱的漂移情况，对量子点的表面活性进行表征；利用荧光分光光度计测定量子点在不同波长激发下的发射光谱和荧光强度，根据发射光谱和荧光强度的变化情况对量子点标记物荧光光谱的稳定性和荧光效率进行表征。通过试件表面和亚表面缺陷中量子点标记物的表面活性、荧光光谱的稳定性和荧光效率等特性表征，分析其加工工艺适应性及污染残留性质。

3、本发明采用静电结合的方法，建立纳米粒子与量子点的能量转移体系，利用近场光学显微镜分析亚表面缺陷和表面重沉积层的荧光特性；利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；如图4所示；

4、在强激光照射下，不加入量子点的光学元件加工表面也会产生自发荧光现象，易对实验结果产生干扰。为了有效获取亚表面缺陷的荧光信号，基于亚表面缺陷和表面重沉积层的荧光效应，首先对不含量子点的熔石英紫外光学元件进行荧光显微观测，通过设定合适的发光阈值，将低于阈值的荧光点等效为黑色背景，高于阈值的发光点视为由量子点激发所致。通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光信号的有效分离与高效标记；如图5所示；

本发明通过步骤3和4相关的量子点标记物的荧光特性与亚表面缺陷的关联关系研究原理及过程如下：研磨和抛光过程中，将量子点掺入抛光剂中，在量子点与元件表面裂纹之间产生的相互作用下，荧光量子点受到力的作用，嵌入到试件亚表层的各个深度，受激光照射时，如果被测件存在微小缺陷，那么直径足够小的荧光量子点就能嵌入到缺陷点中，而量子点的高度荧光性使得缺陷点很容易被检测到，当光线进入到试件内部，将会以缺陷为中心，发生光线的散射，根据荧光强度可以反应亚表层损伤的分布情况。

5、在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取，其原理图如图7所示；

本发明提出的方法中，激光器发出光束垂直入射到样品表面，如果该处存在亚表面缺陷，则量子点标记物将附着在亚表面缺陷中，在激发光的作用下，亚表面缺陷内的量子点将产生荧光效应，并经过成像系统成像在光敏单元上，其端点坐标分别为A′和B′；由几何关系可得到亚表面缺陷深度与光敏单元上成像位置之间的关系：

由此，可计算出亚表面缺陷的深度信息，如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

步骤1)：基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测；

步骤2)：对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；

步骤3)：利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于量子点标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；

步骤4)：检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光的高效标记；

步骤5)：采用立体视觉原理，对具有量子点标记物的光学元件亚表面缺陷进行三维显微荧光成像，根据亚表面缺陷中量子点成像位置的偏移量，计算出亚表面缺陷的深度信息。

2.根据权利要求1所述的基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：

步骤1)的具体方法为：通过在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止；

判断是否具有强三维量子限制效应的方法为：采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能级，根据量子点的能级判断该标记物是否具有强三维量子限制效应。

3.根据权利要求1或2所述的基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：

步骤3)的具体方法为：采用静电结合的方法，建立纳米粒子与量子点的能量转移体系，利用近场光学显微镜分析亚表面缺陷和表面重沉积层的荧光特性，利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应，由于标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系。

4.根据权利要求3所述的基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：

步骤4)的具体方法为：首先对不含量子点的光学元件进行荧光显微观测，设定合适的发光阈值，将低于阈值的荧光点等效为黑色背景，高于阈值的发光点视为由量子点激发所致，通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光信号的高效标记。

5.根据权利要求4所述的基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：

步骤5)的具体方法为：在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取；具体过程为：激光器发出光束垂直入射到样品表面，如果该处存在亚表面缺陷，则量子点标记物将附着在亚表面缺陷中，在激发光的作用下，亚表面缺陷内的量子点将产生荧光效应，并经过成像系统成像在光敏单元上，其端点坐标分别为A′和B′，由几何关系可得到亚表面缺陷深度与光敏单元上成像位置之间的关系：

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