CN111426700A - 吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法 - Google Patents

吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法，该装置包括共光路型和非共光路型结构。本发明光路结构简单，便于安装调试。测量结果稳定，避免环境振动、样品倾斜导致的测量信号异常。通过探测光斑边缘的光束的功率变化，系统的测量灵敏度得到显著提升。

Description

吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及缺陷检测领域，特别是一种针对光学元件表面吸收性缺陷的测量装置和测量方法。
背景技术
强激光系统使用的光学元件的损伤问题一直是限制装置输出通量提升的核心因素。光学材料在生长过程中引入的溶液中的金属杂质，研磨、抛光、修形后表面残留的抛光液、磁流变液等金属、非金属杂质，以及镀膜后，膜层内的节瘤缺陷都具有比光学元件自身更高的吸收。这些缺陷作为光吸收中心，在高能量激光辐照下，对激光产生强烈吸收，超过元件的可承受范围，造成元件损伤。
目前用于缺陷探测的方法主要包括显微散射暗场成像法、荧光显微成像法和光热扫描成像法。显微散射暗场成像法主要针对划痕、麻点等结构性缺陷，利用缺陷产生的散射光进行成像探测。上述金属、非金属等杂质离子等缺陷对入射光几乎不产生散射，显微散射暗场成像法不能有效探测到这些视觉不可见的缺陷。荧光显微成像法利用缺陷在短波长激光激发下产生的荧光进行成像，荧光显微成像探测灵敏度低，且无法探测激光辐照下不发光的吸收性缺陷。传统的光热扫描成像技术基于光热效应，泵浦光照射元件表面使其产生热形变，探测光测量该区域的热形变程度。该方法能够探测上述吸收性缺陷，灵敏度高，但测量光路复杂，调节难度大，两个光斑重叠程度对探测灵敏度影响大，尤其是扫描较大尺寸元件的表面时，环境振动、样品倾斜都会让两个光斑重叠程度发生显著变化，甚至可能不重叠，导致测量信号不均匀或无信号，容易漏检或误识别吸收性缺陷。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法。该测量装置的光路结构简单，便于安装调试。测量结果稳定，避免环境振动、样品倾斜导致的测量信号异常。通过探测光斑边缘的光束的功率变化，系统的测量灵敏度得到显著提升。
该方法利用缺陷与材料基底的吸收差异，通过单光束即可探测缺陷区域的吸收异常。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明吸收性缺陷单光束光热测量包括共光路型和非共光路型两种：
一种共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置，其特点在于，包括激光器、扩束器、功率调节器、分束器、功率计、斩波器、偏振分束器、四分之一波片、反射镜、振镜扫描器、扫描透镜、会聚透镜、挡板光阑、光电探测器、锁相放大器、XYZ位移平台和计算机，待测样品置于所述的XYZ位移平台上；
沿所述的激光器发出的光束的方向依次为所述的扩束器、功率调节器、分束器，所述的分束器将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计，沿所述的强透射光方向依次是所述的斩波器、偏振分束器、四分之一波片、反射镜、振镜扫描器和扫描透镜；
所述的强透射光束被所述的斩波器调制；调制入射光经所述的偏振分束器后输出p偏振光，该p偏振光经过所述的四分之一波片后输出圆偏振光；该圆偏振光经过所述的振镜扫描器和扫描透镜后聚焦入射到待测样品表面；所述的待测样品的表面在激光照射下产生热形变；被热形变调制的反射光依次通过所述的扫描透镜、振镜扫描器、反射镜和四分之一波片后，成为s偏振光；该s偏振光经过所述的偏振分束器反射后，经所述的会聚透镜聚焦；该聚焦光束通过所述的挡板光阑后，光斑边缘的光束被所述的光电探测器接收；
所述的斩波器的调制频率作为参考信号，经过线缆输入所述的锁相放大器第二输入端；所述的光电探测器采集的信号作为测量信号，输入所述的锁相放大器第一输入端；
所述的计算机的控制信号输出端分别与所述的XYZ位移平台的控制端及振镜扫描器的控制端连接，所述的锁相放大器的输出端与所述的计算机的输入端连接。
一种非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置，其特点在于，包括激光器、扩束器、功率调节器、分束器、功率计、斩波器、会聚透镜、挡板光阑、光电探测器、锁相放大器、XYZ位移平台、计算机和第二会聚透镜，待测样品置于所述的XYZ位移平台上；
沿所述的激光器发出的光束的方向依次为所述的扩束器、功率调节器、分束器，该分束器将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计，沿所述的强透射光方向是所述的斩波器，强透射光被该斩波器调制后经所述的第二会聚透镜聚焦照射所述的待测样品，在所述的待测样品的反射光方向依次是所述的挡板光阑、会聚透镜和光电探测器，该光电探测器的输出端与所述的锁相放大器第一输入端相连，所述的斩波器的调制频率作为参考信号，参考信号输出端经过线缆与所述的锁相放大器第二输入端相连，所述的锁相放大器的输出端与所述的计算机的输入端相连，该计算机的控制信号输出端与所述的XYZ位移平台的控制端相连。
所述的挡板光阑制作方式为，在圆形0.5mm厚的熔石英玻璃表面镀圆形的铝膜或铬膜；镀膜区域的透过率≤0.01％；镀膜区域的半径大于入射到挡板光阑处的光斑的束腰半径，使通过的光束的功率小于入射到挡板光阑处的光束的功率的1％；
利用共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，该方法包括下列步骤：
1)将所述的待测样品置于XYZ位移平台上，所述的计算机驱动所述的XYZ位移平台沿Z方向移动待测样品，使待测样品的表面处于所述的扫描透镜的焦点附近；
2)将所述的斩波器的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器的解调频率设置为所述的斩波器的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机驱动所述的振镜扫描器的内部扫描反射镜使聚焦光斑在所述的样品表面沿X和Y方向移动，形成光栅扫描；光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器的测量信号输入所述的锁相放大器，经所述的锁相放大器解调后向所述的计算机输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机实时记录该测量点的幅值；
5)在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台将所述的待测样品沿X或Y方向移动到下一个测量区域，返回步骤3)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品吸收性缺陷测试。
利用非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，该方法包括下列步骤：
1)将所述的待测样品置于XYZ位移平台上，在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台上沿Z方向移动待测样品，使待测样品的表面处于所述的第二会聚透镜的焦点附近；
2)将所述的斩波器的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器的解调频率设置为所述的斩波器的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机驱动所述的XYZ位移平台运动，使经所述的第二会聚透镜输出的聚焦光斑在所述的待测样品的表面沿X和Y方向移动，光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器的测量信号输入所述的锁相放大器，经所述的锁相放大器解调后向所述的计算机输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机实时记录该测量点的幅值；
5)在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台将所述的待测样品沿X或Y方向移动到下一个测量点，返回步骤4)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品吸收性缺陷测试。
本发明的优点如下：
本发明吸收性缺陷单光束光热测量装置的光路结构简单，便于安装调试。测量结果稳定，避免环境振动、样品倾斜导致的测量信号异常。通过探测光斑边缘的光束的功率变化，系统的测量灵敏度得到显著提升。
附图说明
图1是本发明共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置示意图
图2是本发明提出的挡板光阑结构示意图
图3是本发明非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置示意图
图中：1-激光器；2-扩束器；3-功率调节器；4-分束器；5-功率计；6-斩波器；7-偏振分束器；8-四分之一波片；9-反射镜；10-振镜扫描器；11-扫描透镜；12-样品；13-会聚透镜；14-挡板光阑；15-光电探测器；16-锁相放大器；17-XYZ位移平台；18-计算机；19-第二会聚透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明实施例1共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置示意图，由图可见，共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置，包括激光器1、扩束器2、功率调节器3、分束器4、功率计5、斩波器6、偏振分束器7、四分之一波片8、反射镜9、振镜扫描器10、扫描透镜11、会聚透镜13、挡板光阑14、光电探测器15、锁相放大器16、XYZ位移平台17和计算机18，待测样品12置于所述的XYZ位移平台17上；
沿所述的激光器1发出的光束的方向依次是所述的扩束器2、功率调节器3、分束器4，所述的分束器4将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计5，该功率计5用于监控入射光功率和稳定性，沿所述的强透射光方向依次是所述的斩波器6、偏振分束器7、四分之一波片8、反射镜9、振镜扫描器10和扫描透镜11；
所述的强透射光束被所述的斩波器6调制；调制入射光经过所述的偏振分束器7后输出p偏振光，该p偏振光经过所述的四分之一波片8后输出圆偏振光；该圆偏振光经过所述的振镜扫描器10和扫描透镜11后聚焦入射到待测样品12表面；所述的待测样品12的表面在激光照射下产生热形变；被热形变调制的反射光依次通过所述的扫描透镜11、振镜扫描器10、反射镜9和四分之一波片8后，成为s偏振光；该s偏振光经过所述的偏振分束器7反射后，经所述的会聚透镜13聚焦；该聚焦光束通过所述的挡板光阑14后，光斑边缘的光束被所述的光电探测器15接收作为测量信号；
所述的斩波器6的调制频率作为参考信号，经过线缆输入所述的锁相放大器16第二输入端；所述的光电探测器15输出的测量信号，输入所述的锁相放大器16第一输入端；
所述的计算机18的控制信号输出端分别与所述的XYZ位移平台17的控制端及振镜扫描器10的控制端连接，所述的锁相放大器16的输出端与所述的计算机18的输入端连接。
图2是所述的挡板光阑的示意图，所述的挡板光阑14的制作方式为，在圆形0.5mm厚的熔石英玻璃表面镀圆形的铝膜或铬膜；镀膜区域的透过率≤0.01％；镀膜区域的半径大于入射到挡板光阑14处的光斑的束腰半径，使通过的光束的功率小于入射到挡板光阑14处的光束的功率的1％。
利用所述的共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将所述的待测样品12置于XYZ位移平台17上，在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台17沿Z方向移动所述的待测样品12，使待测样品12的表面处于所述的扫描透镜11的焦点附近，调整所述的扩束器2，使经扩束器2扩束后的光束直径满足振镜扫描器10的入瞳要求；
2)将所述的斩波器6的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器16的解调频率设置为所述的斩波器6的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机18驱动所述的振镜扫描器10的内部扫描反射镜使聚焦光斑在所述的样品表面沿X和Y方向移动，形成光栅扫描；光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品12表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器15的测量信号输入所述的锁相放大器16，经所述的锁相放大器16解调后向所述的计算机18输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机18实时记录该测量点的幅值；
5)所述的XYZ位移平台17将所述的待测样品12沿X或Y方向移动到下一个测量区域，返回步骤3)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机18将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品12吸收性缺陷测试。
实施例2
图3为本发明实施例2非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置示意图，由图可见，非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置，包括激光器1、扩束器2、功率调节器3、分束器4、功率计5、斩波器6、会聚透镜13、挡板光阑14、光电探测器15、锁相放大器16、XYZ位移平台17、计算机18和第二会聚透镜19，待测样品12置于所述的XYZ位移平台17上；
沿所述的激光器1发出的光束的方向依次为所述的扩束器2、功率调节器3、分束器4，该分束器4将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计5，该功率计5用于监控入射光功率和稳定性；沿所述的强透射光方向是所述的斩波器6，强透射光被该斩波器调制后经所述的第二会聚透镜19聚焦照射所述的待测样品12，在所述的待测样品12的反射光方向依次是所述的挡板光阑14、会聚透镜13和光电探测器15，该光电探测器15的输出端与所述的锁相放大器16第一输入端相连，所述的斩波器6的调制频率作为参考信号，参考信号输出端经过线缆与所述的锁相放大器16第二输入端相连，所述的锁相放大器16的输出端与所述的计算机18的输入端相连，该计算机18的控制信号输出端与所述的XYZ位移平台17的控制端相连。
所述的挡板光阑14制作方式为，在圆形0.5mm厚的熔石英玻璃表面镀圆形的铝膜或铬膜；镀膜区域的透过率≤0.01％；镀膜区域的半径大于入射到挡板光阑14处的光斑的束腰半径，使通过的光束的功率小于入射到挡板光阑14处的光束的功率的1％；
利用所述的非共光路型吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，包括下列步骤：
1)将所述的待测样品12置于XYZ位移平台17上，在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台17沿Z方向移动待测样品12，使待测样品12的表面处于所述的第二会聚透镜19的焦点附近；
2)将所述的斩波器6的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器16的解调频率设置为所述的斩波器6的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机18驱动所述的XYZ位移平台17运动，使经所述的第二会聚透镜19输出的聚焦光斑在所述的待测样品的表面沿X和Y方向移动，光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品12表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器15的测量信号输入所述的锁相放大器16，经所述的锁相放大器16解调后向所述的计算机18输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机18实时记录该测量点的幅值；
5)在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台17将所述的待测样品12沿X或Y方向移动到下一个测量点，返回步骤4)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机18将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品12吸收性缺陷测试。
实验表明，本发明吸收性缺陷单光束光热测量装置的光路结构简单，便于安装调试。测量结果稳定，避免环境振动、样品倾斜导致的测量信号异常。通过探测光斑边缘的光束的功率变化，系统的测量灵敏度得到显著提升。

Claims (5)

1.一种吸收性缺陷单光束光热测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束器(2)、功率调节器(3)、分束器(4)、功率计(5)、斩波器(6)、偏振分束器(7)、四分之一波片(8)、反射镜(9)、振镜扫描器(10)、扫描透镜(11)、会聚透镜(13)、挡板光阑(14)、光电探测器(15)、锁相放大器(16)、XYZ位移平台(17)和计算机(18)，待测样品(12)置于所述的XYZ位移平台(17)上；
沿所述的激光器(1)发出的光束的方向依次为所述的扩束器(2)、功率调节器(3)、分束器(4)，所述的分束器(4)将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计(5)，沿所述的强透射光方向依次是所述的斩波器(6)、偏振分束器(7)、四分之一波片(8)、反射镜(9)、振镜扫描器(10)和扫描透镜(11)；
所述的强透射光束被所述的斩波器(6)调制；调制入射光经过所述的偏振分束器(7)后输出p偏振光，该p偏振光经过所述的四分之一波片(8)后输出圆偏振光；该圆偏振光经过所述的振镜扫描器(10)和扫描透镜(11)后聚焦入射到待测样品(12)表面；所述的待测样品(12)的表面在激光照射下产生热形变；被热形变调制的反射光依次通过所述的扫描透镜(11)、振镜扫描器(10)、反射镜(9)和四分之一波片(8)后，成为s偏振光；该s偏振光经过所述的偏振分束器(7)反射后，经所述的会聚透镜(13)聚焦；该聚焦光束通过所述的挡板光阑(14)后，光斑边缘的光束被所述的光电探测器(15)接收；
所述的斩波器(6)的调制频率作为参考信号，经过线缆输入所述的锁相放大器(16)第二输入端；所述的光电探测器(15)采集的信号作为测量信号，输入所述的锁相放大器(16)第一输入端；
所述的计算机(18)的控制信号输出端分别与所述的XYZ位移平台(17)的控制端及振镜扫描器(10)的控制端连接，所述的锁相放大器(16)的输出端与所述的计算机(18)的输入端连接。
2.一种吸收性缺陷单光束光热测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束器(2)、功率调节器(3)、分束器(4)、功率计(5)、斩波器(6)、会聚透镜(13)、挡板光阑(14)、光电探测器(15)、锁相放大器(16)、XYZ位移平台(17)、计算机(18)和第二会聚透镜(19)，待测样品(12)置于所述的XYZ位移平台(17)上；
沿所述的激光器(1)发出的光束的方向依次为所述的扩束器(2)、功率调节器(3)、分束器(4)，该分束器(4)将入射光束分为强度不同的弱反射光和强透射光，沿所述的弱反射光方向是所述的功率计(5)，沿所述的强透射光方向是所述的斩波器(6)，强透射光被该斩波器(6)调制后经所述的第二会聚透镜(19)聚焦照射所述的待测样品(12)，在所述的待测样品(12)的反射光方向依次是所述的挡板光阑(14)、会聚透镜(13)和光电探测器(15)，该光电探测器(15)的输出端与所述的锁相放大器(16)第一输入端相连，所述的斩波器(6)的调制频率作为参考信号，参考信号输出端经过线缆与所述的锁相放大器(16)第二输入端相连，所述的锁相放大器(16)的输出端与所述的计算机(18)的输入端相连，该计算机(18)的控制信号输出端与所述的XYZ位移平台(17)的控制端相连。
3.根据权利要求1或2所述的收性缺陷单光束光热测量装置，其特征在于所述的挡板光阑(14)制作方式为，在圆形0.5mm厚的熔石英玻璃表面镀圆形的铝膜或铬膜；镀膜区域的透过率≤0.01％；镀膜区域的半径大于入射到挡板光阑(14)处的光斑的束腰半径，使通过的光束的功率小于入射到挡板光阑(14)处的光束的功率的1％；
4.利用权利要求1所述的吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将所述的待测样品(12)置于XYZ位移平台(17)上，沿Z方向移动待测样品(12)，使待测样品(12)的表面处于所述的扫描透镜(11)的焦点附近；
2)将所述的斩波器(6)的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器(16)的解调频率设置为所述的斩波器(6)的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机(18)驱动所述的振镜扫描器(10)的内部扫描反射镜使聚焦光斑在所述的样品表面沿X和Y方向移动，形成光栅扫描；光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品(12)表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器(15)的测量信号输入所述的锁相放大器(16)，经所述的锁相放大器(16)解调后向所述的计算机(18)输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机(18)实时记录该测量点的幅值；
5)所述的XYZ位移平台(17)将所述的待测样品(12)沿X或Y方向移动到下一个测量区域，返回步骤3)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机(18)将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品(12)吸收性缺陷测试。
5.利用权利要求2所述的吸收性缺陷单光束光热测量装置进行光学元件表面吸收性缺陷的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将所述的待测样品(12)置于XYZ位移平台(17)上，在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台(17)沿Z方向移动待测样品(12)，使待测样品(12)的表面处于所述的第二会聚透镜(19)的焦点附近；
2)将所述的斩波器(6)的调制频率设置为f，将所述的锁相放大器(16)的解调频率设置为所述的斩波器(6)的调制频率的2倍，即2f；
3)所述的计算机(18)驱动所述的XYZ位移平台(17)运动，使经所述的第二会聚透镜(19)输出的聚焦光斑在所述的待测样品的表面沿X和Y方向移动，光斑沿X和Y方向移动的步进量为聚焦到待测样品(12)表面的光斑的直径；
4)在测量点，所述的光电探测器(15)的测量信号输入所述的锁相放大器(16)，经所述的锁相放大器(16)解调后向所述的计算机(18)输出其二次谐波(2f)的幅值；所述的计算机(18)实时记录该测量点的幅值；
5)在所述的计算机的控制下，所述的XYZ位移平台(17)将所述的待测样品(12)沿X或Y方向移动到下一个测量点，返回步骤4)，直至完成所述的待测样品的全部测量；
6)所述的计算机(18)将记录的信号幅值绘制成吸收性缺陷二维分布图并进行分析，给出分析报告，完成该待测样品(12)吸收性缺陷测试。
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