CN111624177B - 一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，属于激光键合晶体板条的质量检测领域，首先运用已知反射率的标准反射面获取白光干涉装置回损校对值；然后通过干涉仪的延迟线结构，对待测板条中垂直键合面的深度方向扫描测试，获取各个反射面的分布式干涉强度信号，以及键合面的深度定位；进一步利用探头中已知反射率薄膜为标准，将干涉信号转化为反射率的分布式结果，并结合标准反射面的损耗校对值对测量结果校准；再利用菲涅尔反射公式将表面反射率测量结果转化为晶体的折射率，进而计算出键合面处理想的菲涅尔反射率理论值；最后通过键合面的反射率测量值与菲涅尔反射率理论值对比，得到键合面相对损耗值，以此评价键合面质量。

Description

一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法

技术领域

本发明涉及一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，属于激光键合晶体板条的质量检测领域。

背景技术

通过热扩散键合制备的激光键合板条，在激光技术方面能够改善激光热性能和光束质量的同时，有利于激光系统集成化以及大尺寸晶体板条的获取。扩散键合制作方法起源于半导体的加工技术，Lee等人[Proc.SPIE.1992,1624:2-10.]率先应用到复合激光晶体板条的制备应用中。随着高功率激光器的迅速发展，对键合晶体的质量要求也越来越高，尤其是键合面的键合质量。目前的检测技术主要围绕以下几点：Tsunekane等人[IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics,1997,3(1):0-18.]通过双折射的光学测量方法，得到键合面处残余应力的分布；Sugiyama等人[Applied Optics,1998,37(12):2407-2410.]通过CCD检测晶体出射的光斑强度分布，以及透射波前的方法检测光束通过晶体的均匀性，来反映晶体键合处对光路传输的影响。但是都是无法溯源的检测方法，只能表征晶体整体对光束的影响。除此之外还包括各类显微放大的材料检测方法，包括侧面显微层析、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(ARM)、电子显微探针检测(EPMA)等。这些显微放大的检测，可以定性地观测晶体键合面的局部缺陷分布，但是都需要对被测样品进行离子研磨打薄的破坏性处理，且检测效率太低、成本过高。

光纤白光干涉技术(或称为低相干光干涉技术)起源于部分相干光理论，作为一种测量技术，其优势主要在于能够对准静态参数实现绝对测量，不受光学传递函数的周期性影响，可实现大动态范围的测量，因为极强的抗干扰能力而被广泛应用。白光干涉技术目前主要应用包括：偏振态测量[Journal of Lightwave Technology 2014.32(22):3641-3650.]、表面形貌测量[Proceedings of SPIE-The International Society for OpticalEngineering,2006,6382.]、薄膜厚度测量[Applied Optics,1999,38(28):5968-5973.]，以及演变发展的生物光层析技术[Science,1991,254:1178-1181.]等。但是目前缺少针对激光板条测试的应用研发，尤其是针对键合质量的检测，本发明基于光纤白光干涉测量技术，尤其是光斑分布式检测的可溯源优势，开发出一种键合板条的分布式测试方法，提出一种新型的键合面质量表征参数，降低检测的技术难度和成本，为高功率激光器的研制提供定量化数据支撑。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，针对现有的键合板条质量检测方法的局限性，创新地将光纤白光干涉测量技术引入到键合板条质量检测领域，提出键合面相对损耗作为新型键合面质量评估参数，实现无损高效、低成本、定量化、可溯源的分布式测量，为高功率激光器的研发提供质量保障。

本发明的目的是这样实现的：步骤一：依据待测键合板条的尺寸、类型以及吸收光谱，调试白光干涉测量系统；

步骤二：白光干涉测量系统对已知反射率的标准反射面进行测试，获取干涉信号值，评测出探头距离变化造成的测量信号波动，得到回损的校对参考值；

步骤三：白光干涉测量系统中的延迟线结构对待测键合板条进行扫描测试，得到各反射面的分布式干涉强度信号；

步骤四：用白光干涉测量系统的探头中已知反射率薄膜为标准，将分布式干涉强度信号的相对强度值转化为反射率的分布式结果，并结合回损的校对参考值对测量结果校准；

步骤五：利用菲涅尔公式将分布式结果真的表面反射率测量结果转化为晶体的折射率，计算出键合面处理想的菲涅尔反射率理论值；

步骤六：通过分布式结果中的键合面的反射率测量值与菲涅尔反射率理论值对比，得到键合面相对损耗值。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中的白光干涉系统采用光纤迈克尔逊干涉仪结构，并配合光纤探头，光源是宽谱白光光源，光纤探头端面配有自聚焦透镜，且有一层已知反射率和透射率的薄膜，用于标定出待测反射面的反射率；延迟线的高精度扫描可以准确定位待测反射面的光程。

2.步骤三中的扫描测试是沿垂直于待测键合板条的键合面的方向进行扫描测试。

3.步骤五具体是：利用菲涅尔反射公式，在板条的两个外表面，取空气折射率为1，根据分布式结果中两个外表面反射率测量结果，得到出板条两部分YAG晶体的折射率，再按照这两个折射率，计算键合面处理想的菲涅尔反射率，作为键合面反射率理论值。

4.步骤六中的键合面相对损耗值

R_实测值为分布式结果中的键合面的反射率测量值，R_理论值为菲涅尔反射率理论值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，通过各个步骤实现了键合面相对损耗值的获取，而这个损耗值可以为后续的研究、测量、评价提供创新的帮助和新的评价指标，可以使对应的测量更精确，也即：1、本发明创新性提出激光板条的键合面相对损耗值作为键合面质量评估的定量化指标，有效分析键合面质量的同时降低了检测难度和检测成本；2、将光纤白光干涉系统应用于激光键合板条的质量检测领域，实现对键合面质量的高精度、大动态范围测试，是实现一套无损高效、定量化、可溯源的系统化测试方法基础；3、将已知反射率的标准反射面的测量结果作为测量装置的回波损耗校对值，有效校准板条测试结果，进一步提高测量精度和稳定性。

附图说明

图1是本发明的测量系统原理示意图；

图2本发明的干涉原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括：

1.初步评估待测板条尺寸、类型、以及吸收光谱，调试干涉测量系统；

明确晶体测量深度，为扫描延迟线提供调试标准；明确晶体掺杂部分吸收谱，在光源波长选取时提供参照，有效避开吸收峰；明确键合结构，包括键合层数、键合面深度粗定位，本专利以常见的双层键合结构为研究对象，且并未进行封装、镀膜或集成。

2.运用白光干涉系统，对已知反射率的标准反射面进行测试，获取干涉信号值，评测出探头距离变化造成的测量信号波动，给出回损的校对参考值；

白光干涉系统采用光纤迈克尔逊干涉仪结构，并配合光纤探头，其中光源是宽谱白光光源，稳定且连续；光纤探头端面配有自聚焦透镜，准直并接收回射光，其中含有一层已知反射率和透射率的薄膜，用于标定出待测反射面的反射率；延迟线的高精度扫描可以准确定位待测反射面的光程。

对已知反射率的标准反射面进行测试，可以准确获取因为探头部分光路转换带来的偏差，尤其是待测物与探头距离变化造成的测量信号波动，据此给出回射光损耗的校对参考值。

3.对键合板条进行扫描测试，通过延迟线结构，沿垂直键合面方向扫描测试，获取各反射面的分布式干涉强度信号，以及键合面的深度定位；

延迟线结构的高精度实时扫描，与探测模块实时采集信号相匹配，精准得到光程差逐渐增大过程中的对应的干涉强度值。

4.利用探头中已知反射率薄膜为标准，将干涉信号的相对强度值转化为反射率的分布式结果，并结合回损校对值对测量结果校准；

探测模块检测的是干涉强度交流项，通过取对数相减的相对值处理，可以准确转化为对应每个待测反射面的反射率。

5.利用菲涅尔公式将表面反射率测量结果转化为晶体的折射率，计算出键合面处理想的菲涅尔反射率理论值；

利用菲涅尔反射公式，在板条的两个外表面，取空气折射率为1，根据两个外表面反射率测量结果，可以计算出板条两部分YAG晶体的折射率，再按照这两个折射率，计算键合面处理想的菲涅尔反射率，作为键合面反射率理论值。

6.通过键合面的反射率测量值与菲涅尔反射率理论值对比，得到键合面相对损耗值，以此评价键合面质量。

将键合面反射率的实测值与键合面反射率的理论值相除并取对数，定义为键合面的相对损耗值，以此来评价键合面的质量缺陷情况。

纤白光干涉系统采用迈克尔逊干涉仪结构光路，光路连接全部通过单模光纤实现，白光源需要选取避开板条吸收波长的稳定连续宽谱光源，保证测量结果不受板条的光吸收影响。

光纤探头用于光纤光路与晶体中通光光路的桥接器件，包含自聚焦透镜和固定已知反射率和透射率的薄膜，有效连接光纤光路与空间光路的同时，提供了板条反射率的测量比对参考值。自聚焦透镜结构能更好地接收板条反射光耦合回光纤光路，并且能够将光斑汇聚的更小，便于键合面质量缺陷的溯源。

探测器收集扫描臂光学延迟线在各个位置时的干涉强度值，匹配延迟线高精度定位可以精确测量板条检测深度方向各个位置的反射光强度值，尤其是键合面以及前后表面的反射光强，实现键合板条分布式测试。

通过与探头内部已知反射率薄膜的强度对比，可以精确得到晶体深度方向的反射率分布，尤其是键合面处反射率，甚至多个键合面的反射率。如果配合双向探头的检测，可以进一步高精度检测键合结构的激光晶体多个键合面的反射率。

配合板条测试之前运用标准已知反射面进行的测试结果，可以进一步对反射率分布式结果进行校准，尤其校准探头与板条之间光程距离的回波损耗误差。

板条是已经表面打磨处理且未封装集成的晶体，其表面反射可以合理应用菲涅尔反射共识进行计算，获得键合板条不同部分的两个折射率，再对这两部分键合在一起的键合面，运用菲涅尔反射公式计算出其反射率的理论值。

将分布式扫描测试中获得的键合面反射率实测值与理论值比对，即相除取对数，得到键合面的相对损耗，这样的损耗值计算，整合了分布式测量的优势，极大降低了外界扰动带来的误差，同时也有效体现了键合面的质量信息。

结合参数的实施例：

结合图1，本发明的光纤白光干涉系统包括宽谱白光光源1、光纤耦合器2和4、自聚焦光纤探头3、法拉第旋镜5、光学延迟线系统6、探测采集系统7，光学器件之间通过单模光纤连接如图1，光纤中的探测光经过自聚焦透镜探头入射到键合板条中，入射方向垂直于晶体键合面，且光斑直径100微米，实现对键合面的光斑点式探测。

光路中耦合器2可以用环形器代替，光学延迟线系统通过高精度电动扫描装置控制反射镜移动，探测采集系统针对干涉光强度值进行实时监测采集。

步骤1.光路的调试过程中，尤其要明确待测晶体尺寸参数和板条掺杂类型等信息，针对性的调整延迟线的扫描范围，提高深度方向分布式扫描测试的精度。

本实施例以常见的Yb掺杂YAG晶体与纯YAG键合在一起的复合结构晶体板条为例，键合面作为约束掺杂区热膨胀的交界面，其质量的好坏直接影响固体激光器工作性能。该种晶体的平行于键合面的两个外表面均已经过超精细打磨抛光，且还未对其进行镀膜等其它工序的处理，探测光由这样的外表面垂直射入晶体至键合界面。

步骤2.对键合板条的检测之前，先对一标准已知折射率的单一晶体进行对照性测试，尤其涉及晶体的外表面反射率测试，并逐渐移动改变该晶体与探头之间的距离，得到不同距离下，探头的回波损耗值，以此作为后续测试的校对参考值。

步骤3.键合面光学检测的具体光干涉原理过程：宽谱光源连续发光经过耦合器1进入光纤探头，然后汇聚射入键合晶体板条，然后包括探头中的已知反射率的反射面在内的各个反射面，会产生连续的反射光，这些反射光通过光纤探头第二次回射到光纤光路，然后通过50:50分光比的耦合器4，被分成完全一样的两束连续的光信号，两束光在干涉仪的两臂再分别反射，其中一臂经过法拉第旋镜直接返回，另一臂经过光学延迟线返回，反射回的两路光第二次经过耦合器4之后进行干涉，被探测采集系统实时采集干涉强度。

探测器探测到的干涉强度值与延迟线扫描距离实时匹配，确保探测强度值与板条实际光程位置相一致，光学延迟线连续的扫描，配合探测采集系统的连续探测，实现板条深度方向的分布式测试。

具体的干涉原理如图2所示，第一行和第二行分别代表经过耦合器等分的两臂连续的光信号，四个反射信号分别代表：探头内部反射膜、板条靠近探头一侧的外表面、板条键合面、以及板条另外一个外表面。

在扫描延迟线移动过程，两臂的相同面反射信号的光程差逐渐增大，如图2所示，第一列对应是0光程差，第二列和第三列依次是光程差逐渐增大的过程。同时探测器探测到对应的干涉信号如图中第三行所示。

结合平衡探测等技术，探测器探测的干涉强度值取干涉交流强度值，且配合信号处理手段，最后提取出干涉白光谱的峰值强度，便于微弱信号观测，取对数值并记录。具体表示的公式为：

步骤4中反射率的计算，需要将上式中带入反射率，则：I₁＝I_固定臂×R₁，I₂＝I_扫描臂×R₂，即可通过对应位置干涉强度值的检测反映反射率的大小。

通过光纤探头中已知反射率的薄膜，配合光纤白光干涉测量系统的干涉相对强度检测，可以有效测得探头反射面以外的其它反射面的反射率。

尤其还要对上述得到的反射率做校准处理，依据步骤2中获得的板条距离探头变化时，回波损耗对应的校对参考值。

步骤5.中将空气折射率为1带入菲涅尔反射公式，计算前后两个反射面对应的两个部分的折射率n和n’。然后计算键合面的理论反射率，即：

步骤6.将键合面的反射率实测值与键理论值相除，并取对数值，定义为键合面相对损耗，即：

至此完成基于白光干涉系统对键合面的测试，根据相对损耗评价测量光斑位置处的键合面质量。

综上，本发明属于激光键合晶体板条的质量检测领域，具体涉及一种基于光纤白光干涉的键合晶体板条分布式测试方法，首先运用已知反射率的标准反射面获取白光干涉装置回损校对值；然后通过干涉仪的延迟线结构，对待测板条中垂直键合面的深度方向扫描测试，获取各个反射面的分布式干涉强度信号，以及键合面的深度定位；进一步利用探头中已知反射率薄膜为标准，将干涉信号转化为反射率的分布式结果，并结合标准反射面的损耗校对值对测量结果校准；再利用菲涅尔反射公式将表面反射率测量结果转化为晶体的折射率，进而计算出键合面处理想的菲涅尔反射率理论值；最后通过键合面的反射率测量值与菲涅尔反射率理论值对比，得到键合面相对损耗值，以此评价键合面质量。

Claims (4)

1.一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：依据待测键合板条的尺寸、类型以及吸收光谱，调试白光干涉测量系统；

步骤二：白光干涉测量系统对已知反射率的标准反射面进行测试，获取干涉信号值，评测出探头距离变化造成的测量信号波动，得到回损的校对参考值；

步骤三：白光干涉测量系统中的延迟线结构对待测键合板条进行扫描测试，得到各反射面的分布式干涉强度信号；

步骤四：用白光干涉测量系统的探头中已知反射率薄膜为标准，将分布式干涉强度信号的相对强度值转化为反射率的分布式结果，并结合回损的校对参考值对测量结果校准；

步骤五：利用菲涅尔公式将分布式结果中表面反射率测量结果转化为晶体的折射率，计算出键合面处理想的菲涅尔反射率理论值；

利用菲涅尔反射公式，在板条的两个外表面，取空气折射率为1，根据分布式结果中两个外表面反射率测量结果，得到出板条两部分YAG晶体的折射率，再按照这两个折射率，计算键合面处理想的菲涅尔反射率，作为键合面反射率理论值；

步骤六：通过分布式结果中的键合面的反射率测量值与菲涅尔反射率理论值对比，得到键合面相对损耗值。

2.根据权利要求1所述的一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，其特征在于：步骤一中的白光干涉系统采用光纤迈克尔逊干涉仪结构，并配合光纤探头，光源是宽谱白光光源，光纤探头端面配有自聚焦透镜，且有一层已知反射率和透射率的薄膜，用于标定出待测反射面的反射率；延迟线的高精度扫描可以准确定位待测反射面的光程。

3.根据权利要求1或2所述的一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，其特征在于：步骤三中的扫描测试是沿垂直于待测键合板条的键合面的方向进行扫描测试。

4.根据权利要求3所述的一种键合板条键合面相对损耗值的获取方法，其特征在于：步骤六中的键合面相对损耗值

R_实测值为分布式结果中的键合面的反射率测量值，R_理论值为菲涅尔反射率理论值。

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