CN110887844B

CN110887844B - 基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法

Info

Publication number: CN110887844B
Application number: CN201911234180.9A
Authority: CN
Inventors: 田野; 石峰; 宋辞; 钟曜宇; 周港
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN110887844A

Abstract

本发明公开了一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，本发明方法包括对测试样件进行光热弱吸收测试：根据样件尺寸将整个样件划分为不同区域，测量不同区域内的电流幅值；获取整个表面的弱吸收信号，剔除粗大误差后计算整个表面的弱吸收信号的平均值和方差；生成疵病所致吸收强区分布图，将所有弱吸收信号的平均值和方差、弱吸收信号的电流幅值、疵病所致吸收强区分布图作为单晶硅强光元件综合性能评价结果输出。本发明能够克服现有单晶硅强光元件综合性能测试技术的不足，将光热弱吸收技术作为测试方法，测试成本低、制样要求低，实现分辨率高、精度高、抗干扰能力强的单晶硅强光元件综合性能测试。

Description

基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法

技术领域

本发明属于光学元件性能测试技术领域，尤其涉及一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法。

背景技术

单晶硅强光元件综合性能主要是指元件在精度性能以外的抗热变形、热损伤及抗激光诱导损伤的性能，这一性能对强光系统的运行具有重要意义和作用，是元件加工质量、服役性能的重要评价指标之一。单晶硅强光元件综合性能的测量目前主要依靠实际工况测试和闭腔量热法测试。这两种方法都是在实际或近似工况的强光光源及闭腔测试环境下进行的破坏性测试，前者依据光路终端光束形变来反推计算元件热变形量，通过观测计量元件表面热损伤程度；后者通过测量元件受辐照后的温升，计算元件的能量吸收率，再对比标准件，最终评估被测元件综合性能。

现有的方法测试结果与实际工况吻合度高，但局限性也很大，主要存在下述问题：(1)测试环境要求高：两种方法均需要大功率、高能量激光光源，大容积真空测试腔，建设成本、运行成本高昂；(2)测试样件要求高：实际工况测试样件需按光路系统标准尺寸、图纸精度加工制备并镀膜，制样成本高、周期长；(3)测试结果可信度、精度低：实际工况测试仅能通过最终光束质量反推测试样件的热变形，而热损伤情况仅靠拍照观测，无法量化对比，可信度低；闭腔量热法测试依靠温度传感器采集温升信息，而测试样件本体热辐射导致的温降则忽略，精度较低。(4)测试结果信息量少：两种方法均使用直径为大光斑，直径为10mm-100mm，仅测量元件表面整体的性能，无法对表面不同特征区域进行高分辨率的细节测试，无法反馈指导制造加工；(5)测试系统干扰多，结果重复性差：光路干扰因素多，激光光源波动大，测试结果一般仅作为参考依据，难以实现准确定量分析；(6)破坏性测试：两种测试方法均会引起测试样件表面发生热损伤或激光诱导损伤，带来永久性破坏。

目前，光热弱吸收测试技术主要是基于表面热透镜技术实现：用泵浦光加热样品表面，发生能量吸收，将光能变成热，会在样品表面产生一个热包区域，使用测试光照射整个样品的表面热包区域，表面热包使测试光的反射光波前产生相干，干涉的反射光强度分布可由CCD或针孔光电探测器扫描获得。例如，公告号为CN201620345947.0的中国专利文献公开了一种光学元件吸收缺陷损伤特性的测试系统，可以对光学元件的吸收缺陷进行测试，但并未能通过弱吸收测试结果对单晶硅强光元件综合性能进行评价。因此，具体如何实现基于光热弱吸收测试技术评价单晶硅强光元件综合性能，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，本发明能够克服现有单晶硅强光元件综合性能测试技术的不足，将光热弱吸收技术作为测试方法，测试成本低、制样要求低。利用多区域测试所得信号幅值进行处理，同时输出疵病强区分布图。实现分辨率高、精度高、抗干扰能力强的单晶硅强光元件综合性能测试。

本发明采用的技术方案为：

一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，实施步骤包括：

1)根据待测区域尺寸及形状对测试区域进行划分；

2)利用光热弱吸收测试平台对不同区域进行光热弱吸收测试；

3)针对得到的多个弱吸收信号，剔除粗大误差后，记录不同区域内的弱吸收信号的电流幅值A_i(i＝1,2,3...)，并计算所有电流幅值A的平均值δ和方差σ²；

4)记录疵病所致吸收强区电流幅值，并生成疵病所致吸收强区分布图；

5)将所有弱吸收信号的平均值δ和方差σ²、不同区域内的弱吸收信号的电流幅值A_i(i＝1,2,3...)、疵病所致吸收强区分布图作为单晶硅强光元件综合性能评价结果输出。

可选地，步骤3)生成的疵病所致吸收强区分布图包括划痕、麻点的所致吸收强区分布图。

可选地，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)将测试样件竖直置于光热弱吸收测试平台的承载夹具上，调整测试样件姿态使得测试样件的待测反射面与承载夹具的基准面平行度误差p满足要求；

1.2)调整光热弱吸收测试平台的内部光路系统，使得返回信号强度S满足要求；

1.3)调整光热弱吸收测试平台的运动平台至测试样件的目标观测区域，并设置测试步距a与测试范围Z；

1.4)根据测试步距a与测试范围Z对测试样件的目标观测区域进行测量并记录上述反射光信号强度作为测试得到的弱吸收信号。

可选地，步骤1.1)中基准面平行度误差p满足要求具体是指满足0≤p≤100μm。

可选地，步骤1.2)中返回信号强度S满足要求具体是指满足S>10nA。

可选地，步骤1.3)中设置测试步距a与测试范围Z时，测试范围Z覆盖面积不小于测试样件反射面面积的10％，且测试范围Z内的测试区域数不小于4个，需有大于50％的测试面积位于反射面中心0.5A×0.5B面积区域内，其中当反射面为矩形时A为长度B为宽度，当反射面为椭圆形时A为长轴B为短轴。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

本发明的基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，(1)测试环境要求低，无需强光系统，无需真空闭腔；(2)测试样件要求低，无需图纸尺寸精度测试样件，测试成本低；(3)测试结果精度高，光热弱吸收检测精度高达0.1ppm；(4)测试结果分辨率高，信息量大，平面空间分辨率高达8μm，可分辨划痕、麻点等影响综合性的缺陷，为制造加工反馈有效信息；(5)测试结果重复性好，测试结果重复性优于±3.1％；(6)测试样件无损伤，测试光功率小于20W，不会对测试样件带来损伤。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程图。

图2为本发明实施例中采用的光热弱吸收测试平台的结构原理示意图。

图3是本发明实施例中用光热弱吸收测试范围示意图。

图4是本发明实施例中用光热弱吸收测试面积分布示意图。

图5是本发明实施例中用光热弱吸收测试结果精度示意图。

图6是本发明实施例中光热弱吸收测试缺陷最小分辨率示意图。

图7是本发明实施例中光热弱吸收测试划痕结果示意图。

图8是本发明实施例中光热弱吸收测试麻点结果示意图。

具体实施方式

下文将以的某尺寸为Φ50×5mm、前表面与侧面的垂直度误差e₁为85μm、前表面的面形误差峰谷值为4.5λ的测试样件为例，对本发明基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法的实施步骤包括：

1)由于测试样件为平面圆形，误差均匀分布，为方便评价，对本样件进行网格划分；

2)对各个网格分别进行光热弱吸收测试，获取各个网格的返回信号A_i(i＝1,2,3...)；

3)针对得到的多个弱吸收信号，记录不同区域内的弱吸收信号的电流幅值，剔除粗大误差后计算所有弱吸收信号的平均值δ和方差σ²；

4)生成疵病所致吸收强区分布图；

5)将所有弱吸收信号的平均值和方差、不同区域内的弱吸收信号的电流幅值、疵病所致吸收强区分布图作为单晶硅强光元件综合性能评价结果输出。

本实施例中，步骤1)对测试样件进行光热弱吸收测试的光热弱吸收测试平台的结构原理示意图如图2所示，其中主要包括承载夹具、运动平台以及内部光路系统。

承载夹具为一套定位装夹工装，由弹簧压片固定在底板上，底板通过螺钉固连至运动平台的螺孔转接板上。

运动平台为一套系统，包括连接夹具和导轨的螺孔转接板，2根运动导轨，该2根导轨正交摆放，均由直线电机驱动，由工控计算机控制运动。

内部光路系统由泵浦光路和探测光路构成，样件表面材料在泵浦激光作用下表面因吸收光能量导致局部温度升高，从而引起材料的折射率发生变化。这种材料特性的变化与激光参数和材料本身的光学吸收特性紧密相关。在激光参数一定的情况下，通过对光热效应引起的材料特性变化进行检测，可以获得材料的吸收特性。

利用另一束较弱的探测激光来检测和分析泵浦激光所激发的光热效应。当探测激光经过泵浦激光照射区域，因为光热效应引起的材料折射率变化会相应的引起探测激光的光束传播特性发生变化，比如产生汇聚或发散。通过对探测光传播特性的变化量进行测量，就可以得到材料的吸收特性。吸收越大，引起探测光束传播特性的变化也越大，相应地检测信号也越大，吸收与测量信号呈线性关系。

本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：

本实施例中，步骤1.1)中基准面平行度误差p满足要求具体是指满足0≤p≤100μm。步骤1.1)中调整测试样件姿态使得测试样件的待测反射面与承载夹具的基准面平行度误差p取值为79μm，能够满足0≤p≤100μm。

本实施例中，步骤1.2)中返回信号强度S满足要求具体是指满足S>10nA。步骤1.2)中调整光热弱吸收测试平台的内部光路系统，使得返回信号强度S大于10nA；

本实施例中，步骤1.3)中设置测试步距a与测试范围Z时，测试范围Z覆盖面积不小于测试样件反射面面积的10％，且测试范围Z内的测试区域数不小于4个，需有大于50％的测试面积位于反射面中心0.5A×0.5B面积区域内，其中当反射面为矩形时A为长度B为宽度，当反射面为椭圆形时A为长轴B为短轴。

如图3所示为设置的测试步距a与测试范围Z，本实施例中测试步距a取值范围，10μm≤a≤1000μm，测试范围Z取值范围为a≤Z≤min(A,B)。如图4所示为本实施例中用光热弱吸收测试面积分布示意图，对于方形测试样件，这一中心区域如图4左侧示意图；对于圆形样件，如图4右侧所示。

本实施例中，步骤1.4)根据测试步距a与测试范围Z对测试样件的目标观测区域进行测量并记录上述反射光信号强度作为测试得到的弱吸收信号时，使用上述方法测量得到测试样件表面每个测试位置(图3示)的探测光电流信号强度，图5曲线横坐标为测试位置标号，纵坐标为信号强度。图5示出了本实施例中信号强度的测试精度优于0.1ppm(ppm，百万分之一)。图6示出了本实施例中的测试结果缺陷最小分横向辨率可达到8μm。

本实施例中，步骤2)针对得到的多个弱吸收信号，剔除粗大误差后计算所有弱吸收信号的平均值和方差时，依据3σ原则剔除上述测试结果中弱吸收信号的粗大误差，再计算弱吸收测试结果上述每个弱吸收信号的平均值，计算函数表达式如下：

上式中，x_i为各个点的综合性能数值，n为数据量，δ为信号的平均值，数据量越大测试消耗时间越长、覆盖面积越大，结果就与实际工况越接近；数值越大表示测试样件吸收的激光能量越大，在实际工况下产生的热变形就越大。

计算弱吸收测试结果上述每个弱吸收信号的方差值，计算函数表达式如下：

上式中，x_i为各个点的综合性能数值，n为数据量，δ为信号的平均值，σ为方差值。方差越大则信号离散度越大，测试样件表面的不均匀性越强，在实际工况下更容易产生不规律热变形，并伴随产生热量在固定位置的沉积，可能发生热致损伤和激光诱导损伤。

本实施例中，步骤3)生成的疵病所致吸收强区分布图包括划痕、麻点的所致吸收强区分布图。本实施例中生成的疵病所致吸收强区分布图如图8所示。图6示出了本实施例中划痕区域的测试结果。左侧为样件表面某一条划痕的光热弱吸收的测试结果，红色代表吸收值高的点，蓝色代表吸收值低的点。右图为该划痕在显微镜下的形貌照片。对比可见，划痕的光热弱吸收测试结果准确的描述出了划痕的形态。同时，也反映出划痕比无划痕的表面吸收了更强的激光能量，可直接测量得到样件表面的能量吸收分布情况。图7示出了本实施例中麻点区域的测试结果，划痕麻点附近区域的测试结果数值远高于非划痕麻点区域，说明划痕麻点引起了大量的能量吸收。一方面由于划痕麻点面积较小，吸收的能量总量并不大，难以对整个测试样件的热变形产生显著影响，另一方面，由于能量在划痕麻点区域大量集中，极易引发热致损伤和激光诱导损伤，严重影响测试样件综合性能的演变与发展，使综合性能快速恶化。本实施例中测试结果的平均值表示测试样件在实际强光工况下综合性能的初始水平，而测试结果方差与划痕麻点等疵病情况影响着综合性能的演变与发展特性。

对比样件和已知综合性能之标样二者的弱吸收结果，光热弱吸收结果与综合性能成正比，即可以换算出样件的量化综合性能。观测计量上述测试结果区域内划痕、麻点等疵病所致吸收强区分布情况，可以评估样件整体的吸收率，且其中边缘区域测试结果比中心区域结果的权重更低。通过测试评估样件微区吸收特性、样件整体吸收率和疵病区域损伤特性，以此为依据判断测试样件微区吸收特性的动态变化趋势。预测所述测试样件以及相同工艺条件所制备工程使用件在实际工况下的综合性能，包括初始能量吸收率、吸收率变化趋势。

综上所述，本实施例公开了一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法基于光热弱吸收测试技术评价单晶硅强光元件光热弱吸收来完成对单晶硅强光元件光热弱吸收水平的元件综合性能评价，本实施例的评价方法基于光热弱吸收测试技术开展，无需强光系统实际工况，无需大尺寸测试样件，测试成本低，操作简单易行，测试灵敏度高、结果精度高、空间分辨率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，其特征在于实施步骤包括：

1）根据待测区域尺寸及形状对测试区域进行划分；

2）利用光热弱吸收测试平台对不同区域进行光热弱吸收测试；

3）针对得到的多个弱吸收信号，剔除粗大误差后，记录不同区域内的弱吸收信号的电流幅值A _i，并计算所有电流幅值A的平均值δ和方差σ ²，其中i=1,2,3…n；

4）记录疵病所致吸收强区电流幅值，并生成疵病所致吸收强区分布图；

5）将所有弱吸收信号的电流幅值A的平均值δ和方差σ ²、不同区域内的弱吸收信号的电流幅值A _i、疵病所致吸收强区分布图作为单晶硅强光元件综合性能评价结果输出；

步骤1）的详细步骤包括：

1.1）将测试样件竖直置于光热弱吸收测试平台的承载夹具上，调整测试样件姿态使得测试样件的待测反射面与承载夹具的基准面平行度误差p满足要求；

1.2）调整光热弱吸收测试平台的内部光路系统，使得返回信号强度S满足要求；

1.3）调整光热弱吸收测试平台的运动平台至测试样件的目标观测区域，并设置测试步距a与测试范围Z；

1.4）根据测试步距a与测试范围Z对测试样件的目标观测区域进行测量并记录反射光信号强度作为测试得到的弱吸收信号。

2.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，其特征在于，步骤1.1）中基准面平行度误差p满足要求具体是指满足0≤p≤100μm。

3.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，其特征在于，步骤1.2）中返回信号强度S满足要求具体是指满足S >10nA。

4.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，其特征在于，步骤1.3）中设置测试步距a与测试范围Z时，测试范围Z覆盖面积不小于测试样件反射面面积的10%，且测试范围Z内的测试区域数不小于4个，需有大于50%的测试面积位于反射面中心0.5A×0.5B面积区域内，其中当反射面为矩形时A为长度B为宽度，当反射面为椭圆形时A为长轴B为短轴。

5.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收测试评价单晶硅强光元件综合性能方法，其特征在于，步骤4）生成的疵病所致吸收强区分布图包括划痕、麻点的所致吸收强区分布图。