CN111458312A - 一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统 - Google Patents

一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统 Download PDF

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Abstract

一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，涉及一种光学晶体缺陷检测光学系统。目的是解决现有晶体表层缺陷检测装置无法获得晶体表层缺陷的受激荧光的稳态光谱和内部结构的问题。检测光学系统由可变波长激光器、第一反射镜、光阑、二向色镜、显微物镜、晶体元件、载物台、白光光源、第二反射镜、滤光片、第一透镜、光纤、光谱仪、时间相关单光子计数器、计算机、第三反射镜、第二透镜和CCD相机构成。本发明即可以实现晶体元件表层缺陷，也能够实现表层缺陷激发稳态荧光光谱以及表层缺陷激发瞬态荧光光谱的检测。本发明适用于晶体表层缺陷检测。

Description

一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统
技术领域
本发明属于工程光学领域，具体涉及一种光学晶体缺陷检测光学系统。
背景技术
荧光技术是探测物质内部粒子运动结构的无损检测手段，其工作原理是样品内粒子受到激发光激发并发生跃迁-弛豫放出光能，并将带有内部结构信息的光能进行收集用以探究荧光性缺陷，常用于物理吸收与化学粒子的分布等领域。软脆光学晶体的质地软、断裂强度低，是国际上公认的难加工材料，加工后表层也易产生缺陷。例如大口径磷酸二氢钾(Potassium Dihydrogen Phosphate，KDP)晶体因其独特光学特性，广泛应用于惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)中的光电开关和激光倍频元件。类似于KDP等晶体元件在生长、加工过程中引入的杂质及缺陷，在后续的高能激光辐照下，激光与晶体材料相互作用发生电离和弛豫现象，随着后期晶体吸收激光能量导致晶体材料发生损伤。而加工表层缺陷作为晶体元件缺陷的主要部分，加工表层缺陷在高能激光辐照下易造成晶体损伤，并且激光损伤增长阈值很低。因此，在晶体表面加工、微机械修复以及表面预处理等过程中，亟需建立晶体表面缺陷诱导激光损伤阈值预测模型来对缺陷进行评价。而由于晶体材料的光致荧光强度与其激光负载能力密切相关，并且晶体材料的荧光特性是其特有属性，探测KDP晶体表面微缺陷的光致激发荧光，是可以反映晶体的表面结构和内部结构的一种无损检测方法，可以为晶体加工表面缺陷能级结构的探测打下基础。
现有的共聚焦荧光显微镜用于晶体表层缺陷的探测，但是共聚焦荧光显微镜的激发光具有给定的波长、无法绘制荧光光谱，且所探测荧光光谱波长短，导致仅能够测得缺陷的荧光信号图，并不能获得晶体表层缺陷的受激荧光的稳态光谱和内部结构等信息。
发明内容
本发明为了解决现有晶体表层缺陷检测装置仅能够测得缺陷的荧光信号图，并不能获得晶体表层缺陷的受激荧光的稳态光谱和内部结构信息等问题，提出一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统。
本发明软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统由可变波长激光器、第一反射镜、光阑、二向色镜、显微物镜、晶体元件、载物台、白光光源、第二反射镜、滤光片、第一透镜、光纤、光谱仪、时间相关单光子计数器、计算机、第三反射镜、第二透镜和CCD相机构成；
所述晶体元件、显微物镜、二向色镜、第二反射镜、滤光片、第一透镜、光纤依次设置在白光光源的出射光光路上，晶体元件靠近白光光源设置；二向色镜倾斜安装使得入射光的入射角为45°；第二反射镜倾斜安装使得入射光的入射角为45°；光纤的入射端设置在第一透镜的出射面焦点处，光纤的出射端分别连接光谱仪和时间相关单光子计数器，光谱仪和时间相关单光子计数器的据输出端口分别与计算机的数据输入端口连接；第一反射镜设置在可变波长激光器的出射光光路上，第一反射镜倾斜安装使得入射光的入射角为45°，第一反射镜的反射光光路上设置有光阑，光阑的出射光经二向色镜反射进入显微物镜，显微物镜的出射光聚焦在晶体元件上；第二反射镜的反射光光路上设置有第三反射镜，第三反射镜的反射光光路上设置有第二透镜和CCD相机，第二透镜靠近第三反射镜，CCD相机的接收端设置在第二透镜出射焦面处，CCD相机数据输出端口与计算机的数据输入端口连接；所述晶体元件夹持在载物台上。
本发明工作原理为：
1、获得表层微区的缺陷显微图以及相应显微图像信息；
开启白光光源，关闭可变波长激光器；白光光源以背照明方式散射辐照晶体元件表层缺陷，白光光源在晶体元件表层缺陷产生的散射光和激发光经过显微物镜后，沿着显微物镜的光出射方向形成平行光束；平行光束以45°角入射到二向色镜，透过二向色镜后沿着透过出射方向进入第二反射镜，经第二反射镜反射进入第三反射镜，经第三反射镜反射后进入第二透镜，第二透镜将平行光束聚焦，聚焦后的平行光束进入CCD相机进行成像并传输至计算机，计算机对图像进行处理后即获得晶体元件的表层微区的缺陷显微图以及相应显微图像信息，显微图像信息包括缺陷的尺寸和形状。
2、获得晶体元件的表层缺陷位置信息；
关闭白光光源，开启可变波长激光器；可变波长激光器用于发出激发光，激发光依次经第一反射镜的反射、光阑调节光斑直径、经二向色镜反射、再经显微物镜聚焦至激光光斑直径达到1μm或2μm后垂直入射到晶体元件表面，激发光辐照在晶体元件上激发产生荧光信号；荧光信号经显微物镜转化为平行荧光信号，并以45°角入射到二向色镜，二向色镜过滤掉激发光后，其余波长光透过二向色镜并沿着透过出射方向进入第二反射镜，其余波长光经第二反射镜反射进入第三反射镜，经第三反射镜反射后进入第二透镜，第二透镜将平行光束聚焦，聚焦后的平行光束进入CCD相机进行成像并传输至计算机，计算机对图像进行处理后即获得晶体元件的表层缺陷位置信息；
3、获取稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱：
移除第二反射镜，关闭白光光源，开启可变波长激光器；晶体表面缺陷处激发产生的荧光信号经显微物镜转化为平行光信号，平行光信号包括激发光、荧光和杂散光，平行光信号以45°角入射到特定波长的二向色镜，二向色镜过滤掉激发光，其余波长光透过二向色镜并进入滤光片，滤光片过滤掉杂散光后剩余荧光进入第一透镜，第一透镜将入射的平行光束聚焦，聚焦的平行光束进入光纤并分别传输至光谱仪和时间相关单光子计数器，获得稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱，最终稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱传输至计算机进行数据处理。
本发明有益效果为：
1、通过调节激发光的波长，可以在晶体表面缺陷处获得不同波长激发光的激发荧光，便于实现不同波长的荧光信号检测，更完整体现出的缺陷能级结构；
2、使用特定波长二向色镜可以将该波长以内的激发光反射，高于该波长的荧光信号全部透过，实现晶体表面缺陷微弱荧光信号的传输；
3、通过高精度载物台以及大数值孔径的显微镜实现晶体元件表层缺陷2μm或1μm分辨率的实时检测；
4、在同一光路中，本发明即可以实现晶体元件表层缺陷，也能够实现表层缺陷激发稳态荧光光谱以及表层缺陷激发瞬态荧光光谱的检测。其中，在持续的激发光辐照下能够通过光谱仪可获得稳态荧光光谱。在单次激发光辐照下，通过时间相关单光子计数器对光子数进行统计可获得瞬态荧光光谱，观测纳秒时间分辨荧光动力学。
附图说明
图1为实施例1中软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统由可变波长激光器1、第一反射镜2、光阑3、二向色镜4、显微物镜5、晶体元件6、载物台7、白光光源8、第二反射镜9、滤光片10、第一透镜11、光纤12、光谱仪13、时间相关单光子计数器14、计算机15、第三反射镜16、第二透镜17和CCD相机18构成；
所述晶体元件6、显微物镜5、二向色镜4、第二反射镜9、滤光片10、第一透镜11、光纤12依次设置在白光光源8的出射光光路上，晶体元件6靠近白光光源8设置；二向色镜4倾斜安装使得入射光的入射角为45°；第二反射镜9倾斜安装使得入射光的入射角为45°；光纤12的入射端设置在第一透镜11的出射面焦点处，光纤12的出射端分别连接光谱仪13和时间相关单光子计数器14，光谱仪13和时间相关单光子计数器14的据输出端口分别与计算机15的数据输入端口连接；第一反射镜2设置在可变波长激光器1的出射光光路上，第一反射镜2倾斜安装使得入射光的入射角为45°，第一反射镜2的反射光光路上设置有光阑3，光阑3的出射光经二向色镜4反射进入显微物镜5，显微物镜5的出射光聚焦在晶体元件6上；第二反射镜9的反射光光路上设置有第三反射镜16，第三反射镜16的反射光光路上设置有第二透镜17和CCD相机18，第二透镜17靠近第三反射镜16，CCD相机18的接收端设置在第二透镜17出射焦面处，CCD相机18数据输出端口与计算机15的数据输入端口连接；所述晶体元件6夹持在载物台7上。
本实施方式有益效果为：
1、通过调节激发光的波长，可以在晶体表面缺陷处获得不同波长激发光的激发荧光，便于实现不同波长的荧光信号检测，更完整体现出的缺陷能级结构；
2、使用特定波长二向色镜可以将该波长以内的激发光反射，高于该波长的荧光信号全部透过，实现晶体表面缺陷微弱荧光信号的传输；
3、通过高精度载物台以及大数值孔径的显微镜实现晶体元件表层缺陷2μm或1μm分辨率的实时检测；
4、在同一光路中，本实施方式即可以实现晶体元件表层缺陷，也能够实现表层缺陷激发稳态荧光光谱以及表层缺陷激发瞬态荧光光谱的检测。其中，在持续的激发光辐照下能够通过光谱仪13可获得稳态荧光光谱。在单次激发光辐照下，通过时间相关单光子计数器14对光子数进行统计可获得瞬态荧光光谱，观测纳秒时间分辨荧光动力学。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述可变波长激光器1的波长调节范围为350nm-850nm，脉冲宽度小于60ps。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述二向色镜4的截止波长大于可变波长激光器1的最大波长。
传统的荧光实验中选用尺寸为50mm的三棱镜用于反射激发光、透过荧光，由于晶体材料荧光信号较弱，且经过高放大倍数的显微物镜后，小棱镜会反射该荧光信号，使荧光信号不能达到光纤中。本实施方式选用的特定波长二向色镜4，能够将二向色镜4波长以内的激发光反射，实现激发光的过滤，高于该波长的荧光信号全部透过，实现晶体表面缺陷微弱荧光信号的传输。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述显微物镜5为定焦镜头，微物镜5的放大倍数为100倍或200倍，微物镜5的数值孔径≥0.95。
本实施方式中，由于显微物镜的放大倍数较小时检测精度低，而放大倍数较大时，检测效率低，因此放大倍数为100倍或200倍时较为合适；显微物镜5将激光聚焦到晶体表面，且聚焦光斑直径为2μm或1μm，使得激光全部能量辐射到晶体元件6表层缺陷位置，准确得到晶体元件6表面微区缺陷的荧光信号。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述载物台7为三轴精密光学调整架。载物台7三轴方向的行程均不小于13mm，粗调精度优于5μm，微调精度优于0.5μm。
本实施方式中，载物台7的使用便于实现晶体元件6表面不同位置处微缺陷的检测；以及调整晶体元件6与其他元件的工作距离。
实施例1：
结合图1说明本实施例，本实施例软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统由可变波长激光器1、第一反射镜2、光阑3、二向色镜4、显微物镜5、晶体元件6、载物台7、白光光源8、第二反射镜9、滤光片10、第一透镜11、光纤12、光谱仪13、时间相关单光子计数器14、计算机15、第三反射镜16、第二透镜17和CCD相机18构成；
所述晶体元件6、显微物镜5、二向色镜4、第二反射镜9、滤光片10、第一透镜11、光纤12依次设置在白光光源8的出射光光路上，晶体元件6靠近白光光源8设置；二向色镜4倾斜安装使得入射光的入射角为45°；第二反射镜9倾斜安装使得入射光的入射角为45°；光纤12的入射端设置在第一透镜11的出射面焦点处，光纤12的出射端分别连接光谱仪13和时间相关单光子计数器14，光谱仪13和时间相关单光子计数器14的据输出端口分别与计算机15的数据输入端口连接；第一反射镜2设置在可变波长激光器1的出射光光路上，第一反射镜2倾斜安装使得入射光的入射角为45°，第一反射镜2的反射光光路上设置有光阑3，光阑3的出射光经二向色镜4反射进入显微物镜5，显微物镜5的出射光聚焦在晶体元件6上；第二反射镜9的反射光光路上设置有第三反射镜16，第三反射镜16的反射光光路上设置有第二透镜17和CCD相机18，第二透镜17靠近第三反射镜16，CCD相机18的接收端设置在第二透镜17出射焦面处，CCD相机18数据输出端口与计算机15的数据输入端口连接；
所述晶体元件6夹持在载物台7上。
所述可变波长激光器1的波长调节范围为350nm-850nm，脉冲宽度小于60ps。
所述二向色镜4的截止波长大于可变波长激光器1的最大波长；
所述显微物镜5为定焦镜头，其放大倍数为100倍，数值孔径为0.95；
所述载物台7为三轴精密光学调整架，载物台7三轴方向的行程均为13mm，粗调精度为5μm，微调精度为0.5μm。
本实施例有益效果为：
1、通过调节激发光的波长，可以在晶体表面缺陷处获得不同波长激发光的激发荧光，便于实现不同波长的荧光信号检测，更完整体现出的缺陷能级结构；
2、使用特定波长二向色镜可以将该波长以内的激发光反射，高于该波长的荧光信号全部透过，实现晶体表面缺陷微弱荧光信号的传输；
3、通过高精度载物台以及大数值孔径的显微镜实现晶体元件表层缺陷2μm分辨率的实时检测；
4、在同一光路中，本实施例即可以实现晶体元件表层缺陷，也能够实现表层缺陷激发稳态荧光光谱以及表层缺陷激发瞬态荧光光谱的检测。其中，在持续的激发光辐照下能够通过光谱仪13可获得稳态荧光光谱。在单次激发光辐照下，通过时间相关单光子计数器14对光子数进行统计可获得瞬态荧光光谱，观测纳秒时间分辨荧光动力学。

Claims (5)

1.一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，其特征在于：软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统由可变波长激光器(1)、第一反射镜(2)、光阑(3)、二向色镜(4)、显微物镜(5)、晶体元件(6)、载物台(7)、白光光源(8)、第二反射镜(9)、滤光片(10)、第一透镜(11)、光纤(12)、光谱仪(13)、时间相关单光子计数器(14)、计算机(15)、第三反射镜(16)、第二透镜(17)和CCD相机(18)构成；
所述晶体元件(6)、显微物镜(5)、二向色镜(4)、第二反射镜(9)、滤光片(10)、第一透镜(11)、光纤(12)依次设置在白光光源(8)的出射光光路上，晶体元件(6)靠近白光光源(8)设置；二向色镜(4)倾斜安装使得入射光的入射角为45°；第二反射镜(9)倾斜安装使得入射光的入射角为45°；光纤(12)的入射端设置在第一透镜(11)的出射面焦点处，光纤(12)的出射端分别连接光谱仪(13)和时间相关单光子计数器(14)，光谱仪(13)和时间相关单光子计数器(14)的据输出端口分别与计算机(15)的数据输入端口连接；第一反射镜(2)设置在可变波长激光器(1)的出射光光路上，第一反射镜(2)倾斜安装使得入射光的入射角为45°，第一反射镜(2)的反射光光路上设置有光阑(3)，光阑(3)的出射光经二向色镜(4)反射进入显微物镜(5)，显微物镜(5)的出射光聚焦在晶体元件(6)上；第二反射镜(9)的反射光光路上设置有第三反射镜(16)，第三反射镜(16)的反射光光路上设置有第二透镜(17)和CCD相机(18)，第二透镜(17)靠近第三反射镜(16)，CCD相机(18)的接收端设置在第二透镜(17)出射焦面处，CCD相机(18)数据输出端口与计算机(15)的数据输入端口连接；所述晶体元件(6)夹持在载物台(7)上。
2.根据权利要求1所述的软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，其特征在于：所述可变波长激光器(1)的波长调节范围为350nm-850nm，脉冲宽度小于60ps。
3.根据权利要求1所述的软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，其特征在于：所述二向色镜(4)的截止波长大于可变波长激光器(1)的最大波长。
4.根据权利要求1所述的软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，其特征在于：所述显微物镜(5)为定焦镜头，微物镜(5)的放大倍数为100倍或200倍，微物镜(5)的数值孔径≥0.95。
5.根据权利要求1所述的软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统，其特征在于：所述载物台(7)为三轴精密光学调整架，载物台(7)三轴方向的行程均不小于13mm，粗调精度优于5μm，微调精度优于0.5μm。
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