CN114295064B - 光测量装置、方法及光声膜厚测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光测量装置、方法及光声膜厚测量装置，装置包括：至少一个泵浦光源，以一定角度发射激励源光束；光束偏振态调控模块，用于将所述激励源光束调控为非线性偏振状态光束，以使待测对象接收所述非线性偏振状态光束的表面产生至少一形变区域；所述形变区域对应所述非线性偏振状态获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。采用不同偏振态泵浦激光可以在探测表面产生形变量大的鼓包以提高探测灵敏度以及提高信噪比，其中形变量更大，探测光所携带的反射信息中关于角度和光程对应的时间信息都能够获得放大，从而提高探测灵敏度和信噪比。

Description

光测量装置、方法及光声膜厚测量系统

技术领域

本发明属于光声测量系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种光测量装置、方法及光声膜厚测量系统。

背景技术

现有技术中的光声测量机理主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，膜样品吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜样品厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图1中所示，泵浦光源1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射探测光5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，由此，探测反射探测光5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要，而在其中，泵浦光对形变区4的影响也是提高探测反射探测光5b的变化从而提高探测精度的一个重要因素。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种利用激光偏振态提高光声膜厚度测量信噪比的装置和方法，利用待测量的表面材料对不同的偏振状态的光具有不同吸收率，从而影响鼓包形貌的特性，在泵浦光路设置偏振器件和偏振态调控器，获取偏振状态的泵浦光束，能够显著提高探测器信噪比，并且结构简单，易于工程实现以及自动化实现，空间体积小，结构紧凑。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种光测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个泵浦光源，以一角度发射激励源光束；

光束偏振态调控模块，用于将所述激励源光束调控为非线性偏振状态光束，以使待测对象接收所述非线性偏振状态光束的表面产生至少一形变区域；

所述形变区域对应所述非线性偏振状态获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

进一步地，所述非线性偏振状态包括圆偏振或径向偏振或角向偏振。

进一步地，所述光束偏振态调控模块包括偏振片和偏振态控制器，所述偏振片用于将所述激励源光束转换为线偏光束，所述偏振态控制器用于将所述线偏光束调制为所述非线性偏振状态光束。

进一步地，所述偏振态控制器包括相位延迟器，所述相位延迟器包括具备快轴的相位延迟器和/或不具备快轴的相位延迟器。

进一步地，所述相位延迟器包括具备快轴的相位延迟器，通过调整所述具备快轴的相位延迟器的快轴与所述激励源光束的光轴夹角对应调制所述非线性偏振状态；

或，所述相位延迟器包括不具备快轴的相位延迟器，或通过固定所述不具备快轴的相位延迟器的状态对应固定设置所述非线性偏振状态。

进一步地，所述偏振态控制器包括四分之一波片、超结构波片、向列液晶单元或Metalens中的其中一种或组合。

进一步地，所述泵浦光源之后的下属光路中包括有光学准直器件，用于控制所述激励源光束的发散角。

本发明还提供了一种光测量方法，包括：

发射激励源光束；

将所述激励源光束调控为非线性偏振状态光束；

使待测对象接收所述非线性偏振状态光束的表面产生至少一形变区域；

所述形变区域对应所述非线性偏振状态获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大；

所述非线性偏振状态包括：圆偏振或径向偏振或角向偏振。

进一步地，所述非线性偏振状态通过设置光束偏振态调控模块来实现；

所述光束偏振态调控模块包括偏振片和偏振态控制器，所述偏振片用于将所述激励源光束转换为线偏光束，所述偏振态控制用将所述线偏光束调制为所述非线性偏振状态光束。

本发明还公开了一种利用所述光测量装置的光声膜厚测量系统，所述待测对象为待测膜，包括：

所述光测量装置，使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；

对所述形变区域施加入射探测光，获取所述形变区域对应反射探测光的信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜的厚度。

本发明所涉及的技术方案，为提高信噪比，使用改变泵浦激光偏振态的方案，利用金属材料对不同偏振态激光的吸收率不同，因此采用不同偏振态泵浦激光可以在探测表面产生形变量大的鼓包以提高探测灵敏度以及提高信噪比，其中形变量越大，入射光经过上述形变区域后所产生的反射效应会更大，探测光所携带的反射信息中关于光强、角度和光程对应的时间信息都能够获得放大，从而提高探测灵敏度和信噪比；

按照本发明的技术构思，通过相位延迟的设置方式可以实现偏振状态的调控，其中，根据相位延迟器本身的性能为可调控式的和不可调控，进行偏振态调控时，通过使用偏振态调控器光学元件可以有效地改变泵浦光的偏振态；使用电机联动的方式控制相位延迟器的快轴，偏振转换器旋转以获得偏振纯度较高的输出偏振，进一步减少因杂散偏振带来杂乱信号噪声的影响，并且在可调控的方式之下，可提高系统的适应性，在不同的测试中依据不同的测试要求生成不同的偏振状态提高试验的平均误差；同时基于泵浦光束在不同偏振状态下的电场分布表达式，可以调制目标出射泵浦光光斑的电场分布，进而可以通过调制的方式进一步获得所需泵浦光光强以提高探测器信噪比；

按照本发明的技术构思，进一步在泵浦光中设置准直光路，并且利用大数值孔径聚焦镜，三个电机，大大缩小空间尺寸需求和成本，且易于实现工程自动化控制。

附图说明

图1为按照现有技术中进行光声测量技术的回声测量的探测光路结构示意图；

图2为本发明中的光声测量技术的对泵浦光进行偏振调节的光路结构示意图；

图3-5为按照本发明实现的偏振状态调节的三种实施方式的示例图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-短脉冲激光光源，102-准直透镜，103-激光光束，104-光束分束器，105a,105b-反射镜，106-探测光，107-泵浦光，108-准直透镜，109-光电探测器，110-偏振器，111-偏振态调控器，112-经过偏振态调整后的激励光源，113-光声调制器，114-待测膜，115-控制器，116a、b-旋转电机，117-聚焦透镜。

具体实施方式

应理解，以下为本实施例的不同特征的许多不同的实施例或例子。以下描述的构件与安排的特定例子，以简化说明实施例。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制具体的实施方式。按照本发明的其中一种实施方式，本发明提出了一种光声测量的装置与方法，能够显著提高探测光光强和角度变化的测量精度，显著提高测量信噪比。

如图2所示，一种光测量装置，包括：用于产生激励光束的短脉冲激光光源101，一个准直透镜102将激光器出射的激励光准直为激光光束103，一个光束分束器104将激光光束103分成两路光束，一路光束为探测光106，一路光束为泵浦光107，探测光106经过光束偏振态调控模块后，被调控为非线性偏振状态光束。

作为本发明的其中一个方面的技术构思，主要是利用泵浦激光的偏振状态对表面材料的形变区域所产生的影响不同，从而在到达表面材料之前对泵浦激光进行偏振态的调整。

在其中一个实施方式中，偏振调控模块包括偏振片110和偏振态控制器111，偏振片110，用于将泵浦光107转换为高纯度线偏泵浦光，所得到的线偏泵浦光的偏振方向随偏振片110的快轴旋转角度改变而改变，并且电场横截面不会发生改变。偏振态控制器111，将线偏泵浦光调制为非线性偏振泵浦光束，包括圆偏振、径向偏振、角向偏振等。

示例性的，偏振态控制器111可以为四分之一波片，四分之一波片为一定厚度的双折射单晶波片，用于将前述调制过后的不同方向的线偏振状态调制为圆偏振状态输出，且圆偏振方向由四分之一波片的快轴方向决定。

另一示例性的，偏振态控制器111可以为超结构波片，用于将前述调制过后的不同方向的线偏振的泵浦光调制为径向偏振或角向偏振泵浦光。进一步的，所述径向偏振或角向偏振泵浦光的光束形状变为环形。优选的，通过控制电机精确旋转以改变超结构波片的快轴方向，从而获得高偏振纯度径向偏振或高偏振纯度角向偏振的偏振光。

进一步说明的是，在上述的偏振状态调控过程中，所实现的技术原理是基于相位延迟，而在这类相位延迟光学器件中，有包括快轴的器件，这类器件可通过电机旋转的方式来旋转快轴，从而实现偏振状态的调节。另外一类相位延迟器件为没有快轴的周期性的材料，例如向列液晶单元或Metalens，可在光路中形通过设置将通过这类器件的光束的偏振状态调整为圆偏振、径向偏振、角向偏振等其中的一种。向列液晶单元：液晶属于双折射晶体，向列液晶单元通过主动控制液晶分子的转向和偏角来调制光场的参量来实现偏振的转换及控制。Metalens(超表面透镜)：利用人造亚波长单元结构在传统介质表面上进行波前调控的光学器件，将单个单元结构视为波导，光束在单元结构中传播会经历额外的传播相移，一般使用改变单元结构的一些结合参数来控制相位的移动和改变。通过没有快轴的周期性材料的相位延迟器件，可以减少因人为旋转因素带来的偏振纯度误差。因此，可以通过选择具备快轴的相位延迟器和/或不具备快轴的相位延迟器，来获取所需的偏振状态光束用于测量。

进一步说明的是，本发明中的技术构思所实现的非线性偏振状态包括圆偏振或径向偏振或角向偏振，如图3-4中所示，径向偏振是指偏振方向在横截面上沿着径向的偏振光。角向偏振是指偏振方向在横截面上垂直于径向的偏振光。径向偏振和角向偏振的偏振态方向随着空间位置而变化，在光束的横截面上的每一点的偏振状态不尽相同，当线偏振方向与偏超结构波片快轴平行时，此时产生径向偏振，当线偏振方向与超结构波片快轴方向垂直时，此时产生角向偏振。

进一步说明的是，经过偏振调制后的非线性偏振泵浦光束经聚焦透镜117汇聚后照射在样品表面。由于材料本身对激光偏振状态的不同对应具有不同的吸收率，从而通过调控泵浦光束的偏振方向，可以使得表面形变区域的鼓包的表面平均梯度增大，从而探测光在经过表面平均梯度增大的形变区域的时候，能够获得由表面平均梯度增大所引起的光斑变化响应时间，从而提高探测反射光变化的时间响应，从而提高测量的信噪比。解析装置分析光电探测器109探测的信号，根据膜厚公式(d＝(t×v)/2,t为相邻两次回声时间间隔，v为材料内部传播的声速)计算出膜厚。

作为本发明中的光测量装置进行光声膜厚测量的其中一种实施方式：

泵浦光107，从待测膜114的上表面向下底面发射多个激励源，以使待测膜114上表面产生至少一形变区域(鼓包)；探测光106经反射镜105a-b后照射在待测膜114表面产生的形变区域后反射光经准直透镜108准直后照射到光电探测器109中由电脑115进行信号收集分析。分析上述所述的探测反射光束变化的装置，获取所述形变区域对应反射光束信号强度变化以及反射光束反射率变化的信息；根据探测到的峰值对应的时间间隔计算出待测膜厚样品114的厚度。

可选的，所述光测量装置的泵浦光路中还包括声光调制器113，用来提高探测灵敏度。沿泵浦光传播方向，偏振态控制器111设置于声光调制器113之后，用于调制泵浦光不同偏振态的以获得较好的偏振纯度。具体的，可分别采用不同的旋转电机116a、116b控制偏振片110、偏振态调控器111快轴的旋转角度，以获得所述非线性偏振态光束，易于实现工程化自动控制。在本实施中，偏振态控制器111包括四分之一波片和超结构波片,泵浦光经过偏振片110，得到较好偏振纯度的线偏振，后经过四分之一波片，偏振状态转换为圆偏振，再经过超结构波片，此时的光束形状变为环形,偏振状态仍然为圆偏振，但圆偏振方向与原来相反，如图5中所示。

进一步说明的是，本发明的非线性偏振状态的激励光在入射于待测物表面的时候，包括有聚焦透镜117，其光学作用为实现光束汇聚作用，能够进一步聚焦激励光的能量，使得形变区域受激励光的作用影响产生更加增强的反应。

进一步的，本发明中的光测量装置还包括准直透镜102，用于控制光源101激发的出射光束的发散角。光源101激发的出射光束经准直透镜102后，出射光束的发散角为：R₀为出射光束半径，f为准直透镜焦距。通过设置不同焦距的准直透镜102，可以改变通过准直透镜后的光束发散角。也即增大准直透镜焦距可以减小光束发散角，从而达到光束准直的目的。发散光束的束腰和光束传播的距离有关，光束传播的距离越长，所得到的束腰越大，因此根据所需得到的发散角决定对应的束腰尺寸，从而决定光束传播的距离(即选择合适的准直透镜焦距f)。控制光斑束腰的方式有1.减小光束色散，可以使用消色差传输透镜，光栅等光学器件。2.基于衍射原理控制束腰尺寸，可以使用空间光调制器，衍射元件等光学。3.使用光阑等方法。准直透镜可以是普通球面镜，也可以是非球面透镜。由于非球面透镜可以减少光束传播输出后的球差，相对于普通球面镜有更好的准直效果。

进一步说明的是，作为本发明的非线性偏振的影响，主要的原理分析如下所示：

就偏振方向的影响分析而言，根据菲涅尔公式，当入射光偏振方向与入射角度存在一定夹角时，反射光光强R根据夹角的不同而不同，因此留下照射在样品表面的透射光光强T＝1-R而不同。因此改变偏振方向，优选的将偏振方向变为径向偏振，对于径向偏振光只要满足合适的入射角度(泵浦光垂直)，P偏振光的反射率就远小于S偏振光的反射率，且径向偏振光的偏振态总是P偏振的，所以材料对径向偏振光能量的吸收总是大于对其他偏振态激光的吸收，因此可以有效的提高在此偏振状态下激光对材料的吸收率，从而增大鼓包，提高探测信号比。

在相同光斑形状(高斯光斑)下，不同偏振下的场强不同而导致不同的光强。电场为E的圆偏振光可以分解为两个互相垂直的方向上电场振幅为E的线偏振光，这两束线偏振光的强度相等，且偏振方向互相垂直，不会发生干涉，因此圆偏振光的强度等于上述两束线偏振光的强度之和，因此圆偏振光的强度会略大于线偏振光的强度。相对于线偏振，圆偏振有更好的激发鼓包的效果。

线偏振高斯光束和圆偏振高斯光束电场表达如下所示：

E_x＝E_0x*cos(kz-ωt)

E_0x＝Acos(α)

E_0y＝A sin(α)

E_x为x分量上的电场强度，E_y为y分量上的电场强度，E_0x为E_x分量上的电场强度振幅，E_0y为E_y分量上电场强度振幅，k为波数，ω为角频率，A为振幅，α为x，y分量的夹角，z为高斯光束的传播方向，n为自然数；

当n＝0,E_x＝E_y,此时为线偏振且E_linear＝(E_0x+E_0y)*cos(kz-ωt)

此时线偏振的光强为I_linear＝E_linear*E^* _linear

当n＝2，此时为圆偏振，E_0x＝E_0y且

此时圆偏振的光强为I_circular＝E_circular*E^* _circular

结合高斯光强公式，因此：

高斯线偏振光的光强：

高斯圆偏振光的光强：

ω₀为高斯光斑束腰，由此可知，圆偏振光束的光强大线偏振光束的光强，因此圆偏振光束对鼓包有更强的激励作用。

经偏振调控器获得的径向偏振光束、角向偏振光束，其光斑形状变为环形，可通过下述公式分析径向偏振光束、角向偏振光束的电场强度：

其中/>分别为径向和角向单位矢量。当/>时，为径向偏振光的电场分布，此时电场分布为/>当/>时为角向偏振光的电场分布，此时电场分布为/>

径向偏振光强I_radial＝E_radial*E^* _radial

角向偏振光强I_azimuthal＝E_azimuthal*E^* _azimuthal

环形光斑光强

径向偏振环形光光强

角向偏振环形光光强

圆偏振环形光光强

根据计算，在相同激光输入能量的情况下，环形径向偏振光强<高斯线偏振光强<高斯圆偏振光强。不同偏振态的光束以相同方向照射在材料表面时，入射方向与偏振方向之间的夹角根据不同的偏振状态有所差异。根据菲涅尔公式，上述不同的夹角使得材料对不同偏振光的吸收率不一样，且有：径向偏振光束的吸收率>圆偏振光束的吸收率>线偏振光束的吸收率；虽然径向偏振光强为上述三种偏振光强中最小的，但由于径向偏振下的材料吸收率最大，材料在径向偏振下能吸收最多的能量。对于角向偏振，其偏振态并非总是P偏振的，因此材料对角向偏振光能量的吸收不如对径向偏振态激光的吸收。由此可见，在相同能量的泵浦光束下，径向偏振光就能获得较大形变量的鼓包；其次为圆偏振；再者为角向偏振。

对于上述的整体实现反射光光强和角度测量的光学系统，其中所涉及的光学元器件中泵浦光源1也称激发光源，在具体的实施方式中，激光器也可以包括Nd：YLF，离子(例如氩和氪)，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等，上述泵浦光源1的作用是在样品表面产生形变区4，其波长、所产生激光脉冲能源、周期以及光束腰部的参数，可以根据待测膜2的薄膜的特性，以及其激光本身的特性来进行设计。在其它的一些研究中，通常通过在泵浦光源1之后设置衍射元件，将泵浦光源1进行转化为带有衍射图案的光源入射待测膜2的表面3，在这种基础之上，与聚焦的光斑所产生的鼓包不同，会产生有与衍射图案对应的形变，所形成的光声效应的变化会更复杂，也会更容易受到干扰而产生变化。

另外，对于本发明所涉及方案的具体实施方式中，泵浦光源1的类型，和是否与探测入射光束5a的入射角度一致，并不做严格的限定，在整个光学检测系统中，通常也通过同时采集泵浦光的脉冲来作为泵浦光与探测入射光束5a泵浦与检测触发的参考信号源。

类似地，以上与泵浦光源1类似的除了二极管激光器之外的光源可以选作探测激光器，可用于产生入射光束5a的脉冲光源包括Q开关Nd：YAG，Nd：YLF，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等。而本发明的设计方案中所涉及的入射探测光5a对波长范围也具有较强的适应性，并不做严格的限定，但是对入射光束5a的准直性建议要求较高，使之与光学系统中的其它光学元件的场强权衡配合设计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个泵浦光源，以一角度发射激励源光束；

光束偏振态调控模块，用于将所述激励源光束调控为非线性偏振状态光束，以使待测对象接收所述非线性偏振状态光束的表面产生至少一形变区域；

所述形变区域对应所述非线性偏振状态获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

2.如权利要求1中所述的光测量装置，其特征在于，所述非线性偏振状态包括圆偏振或径向偏振或角向偏振。

3.如权利要求2中所述的光测量装置，其特征在于，所述光束偏振态调控模块包括偏振片和偏振态控制器，所述偏振片用于将所述激励源光束转换为线偏光束，所述偏振态控制器用于将所述线偏光束调制为所述非线性偏振状态光束。

4.如权利要求3中所述的光测量装置，其特征在于，所述偏振态控制器包括相位延迟器，所述相位延迟器包括具备快轴的相位延迟器和/或不具备快轴的相位延迟器。

5.如权利要求4中所述的光测量装置，其特征在于，所述相位延迟器包括具备快轴的相位延迟器，通过调整所述具备快轴的相位延迟器的快轴与所述激励源光束的光轴夹角对应调制所述非线性偏振状态；

或，所述相位延迟器包括不具备快轴的相位延迟器，通过固定所述不具备快轴的相位延迟器的状态对应固定设置所述非线性偏振状态。

6.如权利要求4中所述的光测量装置，其特征在于，所述偏振态控制器包括四分之一波片、超结构波片、向列液晶单元或Metalens中的其中一种或组合。

7.如权利要求1-6中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述泵浦光源之后的下属光路中包括有光学准直器件，用于控制所述激励源光束的发散角。

8.一种光测量方法，包括：

发射激励源光束；

将所述激励源光束调控为非线性偏振状态光束；

使待测对象接收所述非线性偏振状态光束的表面产生至少一形变区域；

所述形变区域对应所述非线性偏振状态获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大；

所述非线性偏振状态包括：圆偏振或径向偏振或角向偏振。

9.如权利要求8中所述的光测量方法，其特征在于，所述非线性偏振状态通过设置光束偏振态调控模块来实现；

所述光束偏振态调控模块包括偏振片和偏振态控制器，所述偏振片用于将所述激励源光束转换为线偏光束，所述偏振态控制用将所述线偏光束调制为所述非线性偏振状态光束。

10.一种具备如权利要求1-7中任意一项所述的光测量装置的光声膜厚测量系统，所述待测对象为待测膜，其特征在于，包括：

所述光测量装置，使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；

对所述形变区域施加入射探测光，获取所述形变区域对应反射探测光的信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜的厚度。