CN111829988A - 一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法 - Google Patents

一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，本发明属于键合激光板条晶体的质量检测领域，板条键合面测量装置基于光纤白光干涉系统，通过光纤探头出射的光斑对键合面扫描，干涉探测获取键合面反射率信息，针对传统光斑检测方法分辨率受限于光斑尺寸的问题，提出利用光纤探头出射光束在轴向不同距离处的光强分布变化，进行“米”字路径光斑堆叠式扫描，在截面横向的四个角度上，实现不同距离位置处的反射率结果变化分析，有效推算出更高分辨率的反射率分布情况，同时对待测微尺寸键合面区域进行缺陷表征。

Description

一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法
技术领域
本发明涉及一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，属于键合激光板条的质量检测领域。
背景技术
键合激光板条是固体激光器的增益介质，现在主流的板条是各类稀土元素掺杂的YAG晶体，即钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet)，键合板条通常是稀土掺杂YAG晶体与纯YAG键合在一起的复合结构晶体板条。Lee等人[Proc.SPIE.1992,1624:2-10.]率先将半导体加工技术中的热扩散键合制备方法应用到复合激光晶体生产过程中，受键合技术局限性影响，板条的键合面仍然会因为各类因素导致键合面缺陷，这些键合面缺陷会阻碍激光器输出，影响激光器性能，因此键合激光板条的质量检测，尤其是键合面的检测，是固体激光器生产过程极为重要的一个环节。
传统键合面检测手段包括各类显微放大的图像化检测方法[Journal ofmaterials science materials in electronics,2004,15(9):607-612.]和大光束透射检测的定量分析方法[Laser Physics,2005,15(9):1338-1344.]，本发明基于光纤白光干涉系统的光学检测手段，运用光纤探头对板条键合面进行光斑点式探测，是一种无损、可溯源且定量化的检测方法，并且可以对键合面局部区域进行针对性测量分析。光纤探头中的自聚焦透镜对光纤光路中出射的光束进行准直，保证光束以点光斑的形式探测键合面，但是受光斑尺寸大小的限制，以往的键合面扫描分辨率仅限于一个一个光斑。本发明首次提出利用光斑光强的径向高斯分布，配合光束轴向变化，进行“米”字堆叠式扫描，分析推算一个光斑内的反射率分布情况，有效提高板条键合面光斑扫描的分辨率。同时，“米”字堆叠扫描路径的创新性设计，也为板条键合面微尺寸区域的缺陷表征提供了参考性方法。
发明内容
本发明的目的在于针对光纤白光干涉系统运用光斑横向扫描过程中，为了克服了板条键合面测量分辨率受光斑尺寸限制的问题，而提出了提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，尤其利用光纤探头出射光束的轴向变化和光斑径向光强高斯分布，在键合面待测微尺寸区域进行“米”字路径堆叠式扫描，分析推算小于光斑范围内的反射率分布，实现键合面缺陷的微尺寸区域表征。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：调试、校准板条键合面测量装置；
步骤二：根据已知的探头出射光束变化情况和待测键合板条的厚度尺寸，限定探头出射光束的轴向距离变化工作区间；
步骤三：针对待测键合板条的键合面上的待测区域，光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描；
步骤四：对扫描结果按照“米”字路径的四个角度，分别进行反射率分布连续拟合，得到四组反射率分布曲线；
步骤五：根据光束轴向光强的变化，得到每组反射率分布曲线的变化趋势，推算出反射率测量结果。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤一具体是：调试机械位移控制结构的软件程序和硬件结构，保证截面横向扫描位置的精确性，并运用已知反射率的薄膜进行校准测试，即把待测键合板条换为薄膜，进行反射率测试，尤其对光束轴向不同距离位置处测量结果进行校准。
2.步骤二具体是：根据待测键合板条的厚度尺寸，保证待测的键合面在探头和束腰两位置的距离之间，即为有效工作区间，在该区间光束轴向上，光强的总体分布呈现从探头出射逐渐汇聚且光斑缩小的变化。
3.步骤三中的待测区域指的是局部待测微尺寸区域，也即是直径小于2倍光斑直径的圆形范围内，光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描是指：对待测键合板条的相同待测区域，均进行一次“米”字路径堆叠式截面扫描；“米”字路径包括四个角度，光斑沿着每个角度进行连续直线扫描。
4.步骤四具体是：光斑中心路径类似于“米”字，在横向截面内呈现4个角度的交叉式扫描，光斑的连续移动伴随着键合面测量结果的连续采集；提取每个角度方向光斑移动过程的反射率测量结果拟合为一条连续曲线，在光束轴向距离不同位置处，对应可以拟合出多条曲线，这样的多条曲线结果为一组反射率测量结果。
5.步骤五具体是：对每个角度的一组反射率测量结果拟合曲线进行分段，分段界限由每组反射率测量结果中各条曲线变化情况决定，尤其按照连续增大或连续减小来划分界限，对每段的反射率结果进行单独变化趋势分析，有效推算出更小范围内的反射率分布情况，得到反射率测量结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.利用光纤探头出射光束轴向变化和光斑光强的径向高斯分布，提高了键合面光斑扫描测试的分辨率，解决了分辨率受光斑尺寸限制的问题；2.创新性提出光斑堆叠的“米”字扫描路径，分四个角度分别进行反射率分布的测量和进一步准确化推算，获取微尺寸区域反射率分布；3.首次将“米”字反射率分布参数用于板条键合面微尺寸区域缺陷的分析，作为一种有效的表征参数。
附图说明
图1是光束轴向某一位置处光斑径向光强分布示意图；
图2是光斑沿“米”字路径一个角度的微分切割示意图；
图3是光束轴向距离变化时光斑径向光强分布的高斯函数变化示意图；
图4是不同高斯函数的扫描积分结果对比示意图；
图5是板条键合面测量装置空间光路部分示意图；
图6是待测微尺寸区域的光斑中心“米”字堆叠式扫描路径示意图。
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。
结合图1至图6，本发明的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，具体实施方式如下：
步骤1，板条键合面测量装置的调试，调试机械位移控制结构的软件程序和硬件结构，保证截面横向扫描位置的精确性，并运用已知反射率的薄膜进行校准测试，即把待测板条换为薄膜，进行反射率测试，尤其对光束轴向不同距离位置处测量结果进行校准。板条键合面的测量装置是基于光纤白光干涉测量系统搭建的，并且通过光纤探头连接光纤光路与板条测量空间光路，光纤光路采用常用的迈克尔逊光纤干涉仪结构，板条测量装置的空间光路部分如图5所示，由光纤探头1，待测键合板条2，机械位移控制结构3，以及经探头出射光束的空间分布4组成，光纤探头1主要由光纤端面和自聚焦透镜部分组成，出射光束经过自聚焦透镜准直作用，以微小光斑形式对键合板条进行光学测试，待测键合面21在机械位移控制结构3的三维移动调整下，实现面的扫描探测。装置调试尤其涉及调试机械位移控制结构3的软件程序和硬件结构，保证截面横向扫描位置的精确性。
其中光纤白光干涉仪的测量结果是通过检测扫描参考臂和测量臂的干涉强度得到的，能够准确获取键合面反射光强，进而获得键合面反射率。装置的调试还涉及到运用已知反射率的薄膜进行校准测试，即把待测板条换为薄膜，进行反射率测试，尤其对光束轴向不同距离位置处测量结果进行校准。
步骤2，根据探头出射光束变化情况和待测键合板条的厚度尺寸，限定出探头出射光束的轴向距离变化工作区间。光纤探头出射光束是一种已知光强分布的准直光束，光束的截面是小尺寸圆形光斑，其光强的截面横向分布呈现径向高斯分布，光束的轴向长度方向即为待测面与探头的垂直距离方向，光束截面圆形光斑的尺寸和光强分布随轴向距离变化而相应变化，如图5所示，光强的总体分布呈现从探头出射逐渐汇聚且光斑缩小的变化，即从光斑41至光斑42过程，光斑径向的光强分布如图中411和421，并在轴向距离一定位置处光斑尺寸最小，此位置即为束腰。根据待测键合板条的厚度尺寸，保证待测面在探头和束腰两位置的距离之间，即为有效工作区间，在该区间光束轴向上，光强的总体分布呈现从探头出射逐渐汇聚且光斑缩小的变化。
步骤3，针对板条键合面上需要高分辨率测量的微尺寸区域，光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描。微尺寸区域尤其指直径小于2倍光斑直径的圆形范围内，这样的区域单纯依靠光斑的顺序排列不能有效检测分辨，通过机械位置控制结构在横向截面上，进行“米”字路径堆叠式扫描，如图6所示，中央的圆形光斑431是“米”字路径区域，其它的圆形光斑包括光斑432是光斑在尺寸区域移动展示的示意位置，光斑中心的“米”字路径包括四个角度，分别为4331、4332、4333、4334，在测量过程中，光斑沿着每个角度进行连续直线扫描。
在光束轴向工作区间的每个距离位置处，对板条的相同待测区域，均进行一次“米”字路径堆叠式截面扫描。在光束轴向选取的一系列不同距离探测位置，这些位置与光纤探头之间的距离逐渐变化，可以逐渐增大，也可逐渐减小，避免往复运动造成机械误差，探测位置数目应不少于10个。在所有位置上，分别进行相同的“米”字路径堆叠式截面扫描，尤其要保证每次的扫描测量的一致性，便于进一步的对比分析。
步骤4，对于轴向工作区间不同距离位置处的每个“米”字扫描结果，按照“米”字路径的四个角度，分别进行反射率分布连续拟合，得到四组反射率分布曲线。板条键合面是一种相对平坦的截面，对于截面上每个待测微尺寸区域的扫描测量结果，包括轴向光程距离定位和光斑处反射率两项参数，每个“米”字区域光程距离定位结果基本一致，结果的分析处理主要在于光斑处的反射率测量结果。光斑的在横向截面方向的移动过程，光斑中心路径类似于“米”字，在横向截面内呈现4个角度的交叉式扫描，光斑的连续移动伴随着键合面测量结果的连续采集。提取每个角度方向光斑移动过程的反射率测量结果拟合为一条连续曲线，则在光束轴向距离不同位置处，对应可以拟合出多条曲线，这样的多条曲线结果为一组反射率测量结果。
步骤5，根据光束轴向光强的变化，分析每组反射率分布曲线的变化趋势，推算获取更加高分辨率的反射率测量结果。对每个角度的一组反射率测量结果拟合曲线进行分段，分段界限由每组反射率测量结果中各条曲线变化情况决定，尤其按照连续增大或连续减小来划分界限，对每段的反射率结果进行单独变化趋势分析，有效推算出更小范围内的反射率分布情况，得到进一步更加精确的高分辨率测量结果。
待测键合板条主要是纯YAG晶体与稀土掺杂的YAG晶体键合的复合结构板条晶体，晶体本身在宽谱白光波段没有吸收损耗，同时板条表面经过抛光打磨，相对平滑，光散射微弱可以忽略，并且待测板条未进行模块化封装，检测光能够有效透过，垂直照射至键合面，并有效反射。
光纤白光干涉测量装置基于迈克尔逊光纤干涉仪结构，宽谱白光光源作为信号光，经光纤探头出射准直，以点光斑的形式照射在板条键合面上，并沿原路返回至光纤探头，这样就形成了连续的待检测的白光信号。板条在机械位移控制结构的调整把持下，可以在三维各个方向上高精度扫描移动。干涉仪结构中的扫描臂进行延迟扫描，有效匹配光程差实现白光干涉，并被探测器检测干涉强度值。干涉强度值的分析可以直接转化为待测键合面的反射率，以此来反映键合面缺陷情况。
光纤探头出射的探测光是以点光斑的形式，从微观尺度分析，出射光是沿轴向变化的并逐渐汇聚的光束，待测面位于轴向不同距离处，即对应着该位置的检测光斑，光斑的光强分布，呈现径向高斯函数分布。在轴向距离变化的过程中，光斑的高斯函数也对应着不同的参数。总体趋势为：在轴向工作区间内，随着待测面与探头间距离的逐渐增大，光斑呈现逐渐向中心汇聚的光强分布，并在束腰位置处，达到极值。
传统的光斑检测方法通常运用准直后的均匀光斑，或者不区分光斑径向光强分布，直接视光斑为一点，进行面测量，其截面横向扫描分辨率受限于光斑尺寸。本发明则利用微观尺度上光纤探头出射光束的变化，动态扫描分析光斑径向光强分布变化过程中，反射率测量结果的变化。尤其在局部微尺寸待测区域(直径小于2倍光斑直径的圆形范围内)光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描，在“米”字四个角度方向分别进行反射率动态变化分析，提高键合面扫描分辨率，有效表征该微尺寸区域的键合面缺陷分布。
以某一轴向位置处光斑的光强分布为例，其光强分布如图1所示，光斑直径200微米，当其沿“米”字路径的一个角度进行连续堆叠扫描时，可以认为是微分切割后的很多个高斯函数沿着一维的反射率分布进行扫描，光斑微分切割如图2所示。由于光纤白光干涉测量装置，检测的是光纤探头接收光强整体积分的结果，即为光斑检测的范围内反射率整体结果，经过“米”字路径下四个角度的分析，即可将反射率分布的研究由二维转化为一维。
设一维的反射率分布为y(x)，光斑的移动扫描直接简化为高斯函数的移动扫描积分过程，高斯函数的均值为μ，标准方差为σ，高斯函数中心位于(a+100)微米处，即μ＝a+100，所以在某一位置处时，对应反射光强为：
Figure BDA0002559495040000051
在高斯函数移动过程中，即为a增加的扫描积分过程，并且最终实现的目标就是用
Figure BDA0002559495040000052
来反映y(a)的分布。假设光斑径向光强分布的高斯函数在轴向变化如图3所示，以x∈(0,500)为例，设定一维反射率分布，并分别用图3的高斯函数对一维反射率分布进行扫描积分，结果如图4所示，可以明显看出在高斯函数变化过程中，随着其标准方差的逐渐减小过程，扫描积分结果变化趋势更加符合反射率的分布情况，达到有效识别反射率分布的目的。
与实际光斑的光强分布函数相一致，“米”字扫描路径的每个角度中对应的高斯函数，只能在有限的标准方差范围内变化，这就需要进一步的精准化分析推算。首先需要根据不同轴向距离的扫描结果(如图4所示意的不同高斯函数的扫描积分结果)进行分段，分段界限由每组反射率测量结果中各条曲线变化情况决定，尤其按照连续增大或连续减小来划分界限；光斑扫描分辨率具体提升几倍，与每段界限直接相关；对每段反射率结果进行单独的变化趋势分析，具体采用每段上三点式/五点式(即在每段上均匀提取三个点/五个点)线性拟合推算方法，取该三点/五点反射率推算值的平均值，作为该段区间的平均反射率，至此获得更加准确的反射率。
在实际测量过程中，为进一步精准获得键合面的微尺寸区域的反射率分布，需要对“米”字扫描路径的其余三个角度均进行相同的处理分析，获得分辨率大于单个光斑的“米”字反射率分布结果，并以此分布作为键合面微尺寸区域的缺陷表征参数。
综上，本发明属于键合激光板条晶体的质量检测领域，具体涉及一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法。板条键合面测量装置基于光纤白光干涉系统，通过光纤探头出射的光斑对键合面扫描，干涉探测获取键合面反射率信息，针对传统光斑检测方法分辨率受限于光斑尺寸的问题，提出利用光纤探头出射光束在轴向不同距离处的光强分布变化，进行“米”字路径光斑堆叠式扫描，在截面横向的四个角度上，实现不同距离位置处的反射率结果变化分析，有效推算出更高分辨率的反射率分布情况，同时对待测微尺寸键合面区域进行缺陷表征。

Claims (6)

1.一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：调试、校准板条键合面测量装置；
步骤二：根据已知的探头出射光束变化情况和待测键合板条的厚度尺寸，限定探头出射光束的轴向距离变化工作区间；
步骤三：针对待测键合板条的键合面上的待测区域，光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描；
步骤四：对扫描结果按照“米”字路径的四个角度，分别进行反射率分布连续拟合，得到四组反射率分布曲线；
步骤五：根据光束轴向光强的变化，得到每组反射率分布曲线的变化趋势，推算出反射率测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤一具体是：调试机械位移控制结构的软件程序和硬件结构，保证截面横向扫描位置的精确性，并运用已知反射率的薄膜进行校准测试，即把待测键合板条换为薄膜，进行反射率测试，尤其对光束轴向不同距离位置处测量结果进行校准。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤二具体是：根据待测键合板条的厚度尺寸，保证待测的键合面在探头和束腰两位置的距离之间，即为有效工作区间，在该区间光束轴向上，光强的总体分布呈现从探头出射逐渐汇聚且光斑缩小的变化。
4.根据权利要求3所述的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤三中的待测区域指的是局部待测微尺寸区域，也即是直径小于2倍光斑直径的圆形范围内，光斑中心沿“米”字路径进行堆叠式的截面扫描是指：对待测键合板条的相同待测区域，均进行一次“米”字路径堆叠式截面扫描；“米”字路径包括四个角度，光斑沿着每个角度进行连续直线扫描。
5.根据权利要求4所述的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤四具体是：光斑中心路径类似于“米”字，在横向截面内呈现4个角度的交叉式扫描，光斑的连续移动伴随着键合面测量结果的连续采集；提取每个角度方向光斑移动过程的反射率测量结果拟合为一条连续曲线，在光束轴向距离不同位置处，对应可以拟合出多条曲线，这样的多条曲线结果为一组反射率测量结果。
6.根据权利要求1所述的一种提高板条键合面光斑扫描测量分辨率的方法，其特征在于：步骤五具体是：对每个角度的一组反射率测量结果拟合曲线进行分段，分段界限由每组反射率测量结果中各条曲线变化情况决定，尤其按照连续增大或连续减小来划分界限，对每段的反射率结果进行单独变化趋势分析，有效推算出更小范围内的反射率分布情况，得到反射率测量结果。
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