薄膜吸收多通道測量裝置及測量方法

2023-06-15 18:37:26

專利名稱：薄膜吸收多通道測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明與雷射薄膜的吸收測量有關，是一種適用於大口徑雷射薄膜 元件的薄膜吸收多通道測量裝置及其測量方法。
背景技術：
光學薄膜吸收損耗是影響光學薄膜性能的重要參數，吸收損耗的存 在降低了光學薄膜元件的損傷閾值，限制了雷射系統的傳輸功率和傳輸 質量。吸收損耗的準確測量對優化鍍膜工藝和膜系設計，研究薄膜損傷 機理十分重要。
在雷射薄膜吸收特性的探測技術中，光熱技術因具有極高的靈敏度 和精確度成為理想的無損測量手段。表面熱透鏡技術採用大於激勵光斑 的單模探測雷射進行測量，在保證調節方便的同時提高了穩定性。應用 表面熱透鏡技術測量大口徑薄膜樣品時，通常藉助傳動平臺對樣品進行 逐點測量。這種測量方法被稱為柵掃描模式或單像素測量模式，本質上 是一種單通道測量方法。
對於大口徑雷射薄膜元件，利用柵掃描模式難以完成對大口徑雷射 薄膜整個膜面的吸收測量 一方面，測量單個樣品所耗費的時間長達數 十小時；另一方面，長時間測量由於雷射器件的穩定性，影響測量的準
確性。因此，建立一種薄膜樣品吸收快速測量的儀器，對分析大口徑薄 膜的性能和損傷機理意義重大。

發明內容
本發明的目的在於克服上述表面熱透鏡技術中單點掃描測量的不 足，提供一種應用於大口徑光學薄膜元件的薄膜吸收多通道測量裝置及 其測量方法。該裝置應具有測量準確、快速、高效、運行穩定和數據處 理自動化的特點。
本發明的技術解決方案如下
一種應用於大口徑雷射薄膜的薄膜吸收多通道測量裝置，其特點在於該裝置由激勵雷射器、探測雷射器、激勵光衰減器、第一電子快門、 激勵光透鏡組、探測光衰減器、反射鏡、第二電子快門探測光衰減器、 探測光透鏡組、樣品夾具、步進電機、濾波片、聚焦透鏡、面陣CCD 相機、快門驅動器、圖像採集卡、數據卡以及計算機組成，上述各部件 的位置關係如下
步進電機驅動所述的的樣品夾具，該樣品夾具用於放置待測的薄膜 樣品；
激勵光路，包括激勵雷射器，由該激勵雷射器發出的激勵雷射束依 次經激勵光衰減器、第一電子快門、激勵光透鏡組垂直照射在所述的薄 膜樣品的表面構成激勵光斑；
探測光路，包括探測雷射器，由該探測雷射器發出的探測雷射束依 次經探測光衰減器、反射鏡、第二電子快門、探測光透鏡組擴束後傾斜 地入射到所述的薄膜樣品表面構成探測光斑，該探測光斑的中心與所述
的激勵光斑的中心重合；
由所述的薄膜樣品表面反射的探測光束經濾波片、聚焦透鏡後在面
陣CCD相機上成像；
所述的面陣CCD相機的輸出端接計算機的輸入端，所述的圖像採 集卡和數據卡位於該計算機的插槽內，該計算機的輸出端經快門驅動器 分別與所述的第一電子快門和第二電子快門的控制端相連，該計算機的 另一輸出端接所述的步進電機的控制端。
在所述的激勵雷射器和激勵光衰減器之間的激勵光路上設有分束 鏡，在該分束鏡的反射光路上設置雷射功率計。
所述的激勵雷射器為紅外基頻雷射器，或其二倍頻或三倍頻雷射器; 所述的探測雷射器為He-Ne雷射器。
所述的數據卡在所述的計算機的控制下產生同頻率的激勵脈衝列和 探測脈衝列列經所述的快門驅動器分別驅動所述的第一電子快門和第二 電子快門，在一個相對相位變化的周期內，所述的激勵脈衝列和探測脈 衝列列之間的相對相位通過計算機設定。所述的面陣CCD相機具有百萬或百萬以上的像素，其圖像由所述
的圖像採集卡採集。
利用上述的薄膜吸收多通道測量裝置測量薄膜吸收的方法，其特徵
在於包括下列步驟
① 將待測薄膜樣品固定在所述的樣品夾具中；
② 啟動激勵雷射器和探測雷射器，分別調節激勵光衰減器和探測光 衰減器，設定激勵雷射功率和探測雷射功率；
③ 打開所述的快門驅動器電源、面陣CCD相機電源和步進電機電
④ 調整探測雷射束和激勵雷射束在所述的薄膜樣品表面重合，並觀 察到反射的探測光束出現衍射環圖樣，在激勵光路中插入擋板；
⑤ 啟動測量程序，在計算機的程序主界面上設定 待測薄膜樣品的光斑區域數目； 步進電機步長；
數據卡產生的激勵脈衝列和探測脈衝列的四個脈衝串的頻率、脈衝 數、佔空比和初相位差； 數據存儲路徑；
⑥ 撤掉激勵光路的擋板，點擊測量主界面的啟動按鈕開始測量所 述的計算機對所述步進電機發出傳動脈衝，移動所述的薄膜樣品，使所 述的探測雷射束和激勵雷射束進入到第一個待測的光斑區域；
⑦ 所述的計算機同時啟動所述激勵雷射器和探測雷射器分別發射出 激勵雷射束和探測雷射束，同時在所述的計算機的控制下，所述的數據 卡根據上述設定產生具有相同頻率、脈衝數和佔空比的四個脈衝串組成 的激勵脈衝列和探測脈衝列，但所述的激勵脈衝列的四個脈衝串和探測 脈衝列的四個脈衝串的初相位差依次為麼-O、 ；r/2、 ；r、 3;r/2 ，經所述
的快門驅動器(16)分別驅動所述的第一電子快門和第二電子快門，分別 調製所述的激勵雷射束和探測雷射束，受調製的激勵雷射束經所述的激 勵光透鏡組垂直照射在所述的薄膜樣品的表面產生熱透鏡效應；受調製的探測雷射束經所述的探測光透鏡組擴束後傾斜地入射到所述的薄膜樣 品表面；由所述的薄膜樣品表面反射的探測光束帶有薄膜樣品熱透鏡效 應的信息，經濾波片、聚焦透鏡後在面陣CCD相機上成像，該面陣CCD 相機得到對應於所述的探測雷射束調製的四個脈衝串的探測信號為分別 為S。、 &/2、 &、 &/2，經所述的圖像採集卡採集並存入所述的計算機；所
述的計算機按下式運算，得到薄膜樣品激勵區域內所有各點上的反映吸 收信號的光學鎖相信號的幅值和相位-
冷)=麵)4)]D)-S3 f
,、 <SW ，並存入所述的計算機，即完
= arctan~~
成所述的薄膜樣品的表面的一個光斑區域的測量；
⑧ 所述的計算機對所述步進電機發出傳動脈衝，移動所述的薄膜樣 品到下一個待測的光斑區域，所述的計算機同時驅動所述激勵雷射器和 探測雷射器分別發射出激勵雷射束和探測雷射束，重複第⑦步，完成下 一個光斑區域的測量；
⑨ 重複第⑧步，直至所述的薄膜樣品最後一個光斑區域的測量完成；
⑩ 所述的計算機的測量界面顯示"測量完成"，程序處於等待狀態， 點擊停止按鈕可終止測量，點擊退出按鈕退出測量程序。
本發明具有以下優點
1、 本發明採用擴展的激勵光束和探測光束，對樣品的測量範圍大， 能實現對激勵區域內各點的多通道測量；
2、 本發明採用光學鎖相方法實現對薄膜全場弱吸收信號的檢測，測 量效率高；
3、 本發明釆用電子快門作為調製器，數字可控，調製精度高；
4、 本發明採用數據卡作為脈衝發生源，信號精度高而且穩定；
5、 本發明採用高像素麵陣CCD相機，空間解析度高，測量精度好;
6、 本發明採用計算機軟體控制測量過程，集成性好，自動化高，操 作簡便。


圖1是本發明薄膜吸收多通道測量裝置結構示意圖
圖2是本發明多通道測量裝置驅動脈衝圖
圖3是測量程序流程圖
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本 發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1是本發明薄膜吸收多通道測量裝置實施例的結 構示意圖。由該圖可見，本發明薄膜吸收多通道測量裝置由激勵雷射器 1、探測雷射器2、分束鏡3、激勵光衰減器4、第一電子快門5、激勵光 透鏡組6、探測光衰減器7、反射鏡8、第二電子快門9探測光衰減器7、 探測光透鏡組10、樣品夾具11、步進電機12、濾波片13、聚焦透鏡14、 面陣CCD相機15、快門驅動器16、圖像採集卡19、數據卡20、計算 機17和雷射功率計18組成，的反射光路上設置上述各部件的位置關係 如下-
步進電機12驅動所述的樣品夾具11，該樣品夾具11用於放置待測 的薄膜樣品；
激勵光路，包括激勵雷射器1，由該激勵雷射器1發出的激勵雷射 束依次經分束鏡3、激勵光衰減器4、第一電子快門5、激勵光透鏡組(6) 垂直照射在所述的薄膜樣品的表面形成激勵光斑；
探測光路，包括探測雷射器2，由該探測雷射器2發出的探測雷射 束依次經探測光衰減器7、反射鏡8、第二電子快門9、探測光透鏡組10 擴束後傾斜地入射到所述的薄膜樣品表面形成探測光斑，該探測光斑的 中心與所述的激勵光斑的中心重合；
由所述的薄膜樣品表面反射的探測光束經濾波片13、聚焦透鏡14 後在面陣CCD相機15上成像；
所述的面陣CCD相機15的輸出端接計算機17的輸入端，所述的 圖像採集卡19和數據卡20插在該計算機17內的插槽中，該計算機17的輸出端經快門驅動器16分別與所述的第一電子快門5和第二電子快門
9的控制端相連，該計算機17的另一輸出端接所述的步進電機12的控 制端。
在該分束鏡3的反射光路上設置所述的雷射功率計18。
所述的激勵雷射器1為紅外基頻雷射器，或其二倍頻或三倍頻雷射 器；所述的探測雷射器2為He-Ne雷射器。
所述的面陣CCD相機15具有百萬或百萬以上的像素，其圖像由所 述的圖像採集卡19採集。
利用上述的薄膜吸收多通道測量裝置測量薄膜吸收的方法，其特徵 在於包括下列步驟-
① 將待測薄膜樣品固定在所述的樣品夾具11中；
② 啟動激勵雷射器1和探測雷射器2，分別調節激勵光衰減器4和 探測光衰減器7，設定激勵雷射功率和探測雷射功率；
③ 打開所述的快門驅動器16電源、面陣CCD相機15電源和步進 電機12電源；
④ 調整探測雷射束和激勵雷射束在所述的薄膜樣品表面重合，並觀 察到反射的探測光束出現衍射環圖樣，在激勵光路中插入擋板；
⑤ 啟動測量程序，在計算機17的程序主界面上設定 待測薄膜樣品的光斑區域數目；
步進電機12步長；
數據卡20產生的激勵脈衝列A和探測脈衝列B的四個脈衝串的頻 率、脈衝數、佔空比和初相位差； 數據存儲路徑；
⑥ 撤掉激勵光路的擋板，點擊測量主界面的啟動按鈕開始測量(所 述的測量程序流程如圖3所示)所述的計算機17對所述步進電機12 發出傳動脈衝，移動所述的薄膜樣品，使所述的探測雷射束和激勵雷射 束進入到第一個待測的光斑區域；
⑦ 所述的計算機17同時驅動所述激勵雷射器1和探測雷射器2分別發出激勵雷射束和探測雷射束，同時在所述的計算機17的控制下，所述
的數據卡20根據上述設定產生具有相同頻率、脈衝數和佔空比的四個脈 衝串組成的激勵脈衝列A和探測脈衝列B，但所述的激勵脈衝列A的四 個脈衝串和探測脈衝列B的四個脈衝串的初相位差依次為 ^=0、 ；r/2、 ；r、 3;r/2 ，如圖2所示，由圖可見，所述的探測脈衝列列
萬與激勵脈衝列j具有相同的頻率、脈衝數和佔空比；它們的初相位差 按照0,;r/2,;r，3;r/2周期變化。所述的面陣CCD相機15的觸發脈衝C，該 觸發脈衝C與探測脈衝列B的初相位相同，即當探測脈衝列B發出時同 時觸發麵陣CCD相機的採集；所述四個相位下的探測信號被所述面陣 CCD相機15分別記錄。各個相位狀態內，所述觸發脈衝C的正脈衝持續 時間為探測脈衝列的周期之和。經所述的快門驅動器16分別驅動所述的 第一電子快門5和第二電子快門9，分別調製所述的激勵雷射束和探測 雷射束，受調製的激勵雷射束經所述的激勵光透鏡組6垂直照射在所述 的薄膜樣品的表面產生熱透鏡效應；受調製的探測雷射束經所述的探測 光透鏡組10擴束後傾斜地入射到所述的薄膜樣品表面；由所述的薄膜樣 品表面反射的探測光束帶有薄膜樣品熱透鏡效應的信息，經濾波片13、 聚焦透鏡14後在面陣CCD相機15上成像，該面陣CCD相機得到對應 於所述的探測雷射束調製的四個脈衝串的探測信號為分別為 S。、 &/2、 &、 &,/2，經所述的圖像採集卡19採集並存入所述的計算機17; 所述的計算機17按下式運算，得到薄膜樣品光斑區域內所有各點上的反 映吸收信號的光學鎖相信號的幅值和相位
formula see original document page 12 ，並存入所述的計算機17，即
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完成所述的薄膜樣品的表面的一個光斑區域的測量；
⑧所述的計算機17對所述步進電機12發出傳動脈衝，移動所述的 薄膜樣品到下一個待測的光斑區域，所述的計算機17同時驅動所述激勵 雷射器1和探測雷射器2分別發出激勵雷射束和探測雷射束，重複第⑦步，完成下一個光斑區域的測量；
⑨ 重複第⑧步，直至所述的薄膜樣品最後一個光斑區域的測量完成;
⑩ 所述的計算機17的測量界面顯示"測量完成"，程序處於等待狀 態，點擊停止按鈕可終止測量，點擊退出按鈕退出測量程序。
權利要求
1、一種應用於大口徑雷射薄膜的薄膜吸收多通道測量裝置，其特徵在於該裝置由激勵雷射器(1)、探測雷射器(2)、激勵光衰減器(4)、第一電子快門(5)、激勵光透鏡組(6)、探測光衰減器(7)、反射鏡(8)、第二電子快門(9)探測光衰減器(7)、探測光透鏡組(10)、樣品夾具(11)、步進電機(12)、濾波片(13)、聚焦透鏡(14)、面陣CCD相機(15)、快門驅動器(16)、圖像採集卡(19)、數據卡(20)以及計算機(17)組成，上述各部件的位置關係如下步進電機(12)驅動所述的樣品夾具(11)，該樣品夾具(11)用於放置待測的薄膜樣品；激勵光路，包括激勵雷射器(1)，由該激勵雷射器(1)發出的激勵雷射束依次經激勵光衰減器(4)、第一電子快門(5)、激勵光透鏡組(6)垂直照射在所述的薄膜樣品的表面形成激勵光斑；探測光路，包括探測雷射器(2)，由該探測雷射器(2)發出的探測雷射束依次經探測光衰減器(7)、反射鏡(8)、第二電子快門(9)、探測光透鏡組(10)擴束後傾斜地入射到所述的薄膜樣品表面形成探測光斑，該探測光斑的中心與所述的激勵光斑的中心重合；由所述的薄膜樣品表面反射的探測光束經濾波片(13)、聚焦透鏡(14)後在面陣CCD相機(15)上成像；所述的面陣CCD相機(15)的輸出端接計算機(17)的輸入端，所述的圖像採集卡(19)和數據卡(20)插在該計算機(17)內的插槽中，該計算機(17)的輸出端經快門驅動器(16)分別與所述的第一電子快門(5)和第二電子快門(9)的控制端相連，該計算機(17)的另一輸出端接所述的步進電機(12)的控制端。
2、 根據權利要求1所述的薄膜吸收多通道測量裝置，其特徵在於在 所述的激勵雷射器(1)和激勵光衰減器(4)之間的激勵光路上設有分 束鏡(3)，在該分束鏡(3)的反射光路上設置雷射功率計(18)。
3、 根據權利要求1所述的薄膜吸收多通道測量裝置，其特徵在於所述的激勵雷射器(1)為紅外基頻雷射器，或其二倍頻或三倍頻雷射器； 所述的探測雷射器(2)為He-Ne雷射器。
4、 根據權利要求1所述的薄膜吸收多通道測量裝置，其特徵在於所 述的數據卡(20)在所述的計算機(17)的控制下產生同頻率的激勵脈 衝列(A)和探測脈衝列列(B)，經所述的快門驅動器(16)分別驅動所 述的第一電子快門(5)和第二電子快門(9)，在一個初相位變化的周期 內，所述的激勵脈衝列(A)和探測脈衝列列(B)之間的初相位差通過計 算機(17)設定。
5、 根據權利要求1所述的薄膜吸收多通道測量裝置，其特徵在於所 述的面陣CCD相機(15)具有百萬或百萬以上的像素，其圖像由所述 的圖像採集卡(19)採集。
6、 利用權利要求1所述的薄膜吸收多通道測量裝置測量薄膜吸收的 方法，其特徵在於包括下列步驟① 將待測薄膜樣品固定在所述的樣品夾具(11)中；② 啟動激勵雷射器(1)和探測雷射器(2)，分別調節激勵光衰減器 (4)和探測光衰減器(7)，設定激勵雷射功率和探測雷射功率；③ 打開所述的快門驅動器(16)電源、面陣CCD相機(15)電源 和步進電機(12)電源；④ 調整探測雷射束和激勵雷射束在所述的薄膜樣品表面重合，並觀 察到反射的探測光束出現衍射環圖樣，在激勵光路中插入擋板；⑤ 啟動測量程序，在計算機(17)的程序主界面上設定 待測薄膜樣品的光斑區域數目；步進電機(12)步長；數據卡(20)產生的激勵脈衝列(A)和探測脈衝列(B)的四個脈 衝串的頻率、脈衝數、佔空比和初相位差； 數據存儲路徑；⑥ 撤掉激勵光路的擋板，點擊測量主界面的啟動按鈕開始測量所 述的計算機(17)對所述步進電機(12)發出傳動脈衝，移動所述的薄膜樣品，使所述的探測雷射束和激勵雷射束進入到第一個待測的光斑區域；⑦ 所述的計算機(17)同時驅動所述激勵雷射器(1)和探測雷射器 (2)分別發出激勵雷射束和探測雷射束，同時在所述的計算機(17)的控制下，所述的數據卡(20)根據上述設定產生具有相同頻率、脈衝數 和佔空比的四個脈衝串組成的激勵脈衝列(A)和探測脈衝列(B)，但 所述的激勵脈衝列(A)的四個脈衝串和探測脈衝列(B)的四個脈衝串 的初相位差依次為^=0、 ；r/2、 ；r、 3W2 ，經所述的快門驅動器(16)分別驅動所述的第一電子快門(5)和第二電子快門(9)，分別調製所述的 激勵雷射束和探測雷射束，受調製的激勵雷射束經所述的激勵光透鏡組 (6)垂直照射在所述的薄膜樣品的表面產生熱透鏡效應；受調製的探測 雷射束經所述的探測光透鏡組(10)擴束後傾斜地入射到所述的薄膜樣 品表面；由所述的薄膜樣品表面反射的探測光束帶有薄膜樣品熱透鏡效 應的信息，經濾波片(13)、聚焦透鏡(14)後在面陣CCD相機(15) 上成像，該面陣CCD相機得到對應於所述的探測雷射束調製的四個脈 衝串的探測信號為分別為S。、 &/2、 &、 &/2，經所述的圖像採集卡(19) 採集並存入所述的計算機(17);所述的計算機(17)按下式運算，得到 薄膜樣品光斑區域內所有各點上的反映吸收信號的光學鎖相信號的幅值 和相位formula see original document page 4即完成所述的薄膜樣品的表面的一個光斑區域的測量；⑧ 所述的計算機(17)對所述步進電機(12)發出傳動脈衝，移動 所述的薄膜樣品到下一個待測的光斑區域，所述的計算機(17)同時驅 動所述激勵雷射器(1)和探測雷射器(2)分別發射出激勵雷射束和探 測雷射束，重複第⑦步，完成下一個光斑區域的測量；(D重複第⑧步，直至所述的薄膜樣品最後一個光斑區域的測量完成;⑩計算機(17)的測量界面顯示"測量完成"，程序處於等待狀態， 點擊停止按鈕可終止測量，點擊退出按鈕退出測量程序。
全文摘要
一種應用於大口徑雷射薄膜的薄膜吸收多通道測量裝置及其測量方法，該裝置由激勵雷射器、探測雷射器、激勵光衰減器、第一電子快門、激勵光透鏡組、探測光衰減器、反射鏡、第二電子快門探測光衰減器、探測光透鏡組、樣品夾具、步進電機、濾波片、聚焦透鏡、面陣CCD相機、快門驅動器、圖像採集卡、數據卡以及計算機組成，本發明具有測量準確、快速、高效、運行穩定和數據處理自動化的特點。
文檔編號G01N21/17GK101435767SQ20081020447
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者劉曉鳳, 雷 張, 李大偉, 柯立公, 賀洪波, 趙元安, 陶春先 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所