光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置的製作方法
2023-10-18 13:13:54 3
專利名稱：光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學元件表面及亞表面缺陷的檢測方法領域，具體是一種光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置。
背景技術：
在高功率或者高能量的強雷射系統及其應用過程中，光學元件的雷射破壞閾值常常是制約相關系統運行水平的關鍵因素。這些光學元件的雷射破壞閾值常常遠低於用來製作該元件的材料本徵破壞閾值。以用於雷射慣性約束核聚變系統中的大口徑熔融石英元件為例，其在355納米紫外雷射波段的破壞閾值遠低於用來製作該元件的純石英材料的本徵閾值，是制約相關系統設計和研發的關鍵因素之一。發生這種現象的主要原因是在光學元件的加工過程中，如切割、研磨、拋光等，不可避免的會引入各種缺陷和汙染，特別是在元件的表面及亞表面區域，導致其表面及亞表面的光學質量往往比相關材料的本徵特性差得很多，從而使得相關元件的表面及亞表面在強雷射應用中成為限制元件性能的瓶頸，成為最容易發生雷射破壞的薄弱環節。光學兀件表面及亞表面缺陷的檢測方法有很多，包括光學顯微鏡，光學散射檢測方法，雷射激發突光測量方法，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場光學顯微鏡，以及光聲顯微鏡及光熱顯微鏡等。但以上大多數檢測方法只對一些樣品上的面形缺陷及折射率不均勻性能夠進行有效檢測，對於在雷射破壞過程中經常起關鍵作用的很多吸收缺陷並不敏感。目前，常用的針對吸收缺陷的檢測的方法有雷射誘導光熱輻射檢測技術。該技術可分為兩大類。第一類是利用單點探測器，通過逐點掃描來進行顯微成像，從而獲得樣品的二維圖像。該方法的優點是每一點信噪比好，檢測靈敏度高，成像的解析度決定於激發雷射光斑，也可以做到較高，比如在355納米泵浦雷射波長條件下可以比較容易地獲得亞微米橫向解析度；缺點是成像需要對樣品進行逐點掃描，成像速度很慢。對大口徑光學元件來說，該方法難以滿足實際需求。第二類是利用紅外探測器陣列(例如紅外相機等)直接獲得樣品的二維圖像。該方法的優點是成像速度快；缺點是成像解析度取決於紅外探測器陣列及其相關紅外成像系統，與逐點掃描方法相比，解析度較低，靈敏度也較低，對微弱吸收缺陷無法有效識別。綜上所述，目前尚沒有一種良好的檢測方法能夠用來直接探測大口徑光學元件的表面及亞表面吸收缺陷，特別是吸收比較微弱的透明光學元件的表面及亞表面吸收缺陷。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置，將紅外成像技術與鎖相放大檢測技術結合，通過利用受調製的泵浦雷射激發樣品產生周期性紅外輻射，利用紅外探測陣列來探測所產生的紅外輻射，並對紅外探測陣列的信號進行鎖相放大檢測，獲得有關樣品缺陷的高分辨的圖像信息，同時利用所激發的紅外輻射在選定波段對一些光學材料穿透深度非常有限的物理特性來排除樣品體內紅外信號對檢測結果的影響，從而只對光學元件樣品表面及亞表面的吸收缺陷分布進行成像檢測。本發明的技術方案為:
光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，包括以下步驟:
(1)、用經過調製的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光學元件內部並從後表面出射，光學元件的前表面及前亞表面區域、內部區域、後表面及後亞表面都會因為光學元件對泵浦光束能量的吸收而產生局部溫度升高並進而產生紅外輻射；
(2)、光學元件的前表面及前亞表面區域的紅外輻射由相對光學元件的前表面設置的第一紅外成像裝置收集、並經過第一紅外濾波裝置濾波後入射到第一紅外探測器陣列上進行成像探測分析，第一紅外探測器陣列進行探測的時候，用調製泵浦光的同樣的調製信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第一紅外探測器陣列獲得的信號進行鎖相放大檢測以實現高靈敏探測；
(3)、光學元件的後表面及後亞表面區域的紅外輻射由相對光學元件的後表面設置的第二紅外成像裝置收集、並經過第二紅外濾波裝置濾波後入射到第二紅外探測器陣列上進行探測分析，第二紅外探測器陣列進行探測的時候，用調製泵浦光的同樣的調製信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第二紅外探測器陣列獲得的信號進行鎖相放大檢測以實現高靈敏探測。所述的光學元件前、後表面進行分區域的二維掃描，從而實現對光學元件表面全覆蓋的成像檢測。光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，包括有相對光學元件前表面設置的泵浦光源，設置於泵浦光源發射端和光學元件前表面之間的泵浦光束調製裝置，相對光學元件前表面設置的第一紅外成像裝置，依次設置於第一紅外成像裝置後端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測器陣列，相對光學元件後表面設置的第二紅外成像裝置，依次設置於第二紅外成像裝置後端的第二紅外濾波裝置和第二紅外探測器陣列，分別與泵浦光束調製裝置、第一紅外探測器陣列、第二紅外探測器陣列連接的鎖相放大檢測裝置。所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有設置於泵浦光束調製裝置和光學元件前表面之間的泵浦光束整形處理裝置。所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有相對光學元件後表面設置的泵浦光吸收裝置。所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有用於固定光學元件的樣品裝夾掃描裝置。本發明中所採用的鎖相放大檢測，利用和被測信號有相同頻率和相位關係的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻(或者倍頻)、同相的噪聲分量有響應。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。本發明利用鎖相放大檢測的這一優點，將該技術與紅外成像技術結合，大幅度提高了紅外探測陣列的檢測靈敏度。其對樣品表面溫升的檢測靈敏度可以達到毫開爾文UK)甚至微開爾文(μ K)水平，能夠滿足對多數光學元件微弱吸收檢測的靈敏度要求。本發明能夠實現只對表面及亞表面吸收缺陷進行檢測，是利用了雷射激發紅外輻射在選定波段對一些光學材料的穿透深度非常有限這一物理特性。即在檢測時，所測樣品對所選擇的紅外波段是強烈吸收的，選用適合該波段的濾波裝置和探測器陣列，這樣樣品內部受雷射激發產生的選定波段的紅外輻射將被樣品本身吸收，無法到達成像檢測系統。只有在距表面深度為a-Hem)(探測深度)的樣品區域內受雷射激發產生的選定波段的紅外輻射能夠透過樣品表面到達成像檢測系統，其中a (cm-1)為樣品在選定紅外波段的平均吸收係數。對一些常用光學材料，如熔融石英等，在一些紅外波段，探測深度可以達到微米甚至亞微米量級。本發明的以上特點使得本發明特別適合特大型高功率雷射系統中常用的大口徑光學元件，如熔融石英、KDP晶體、BK7玻璃、以及一些相關薄膜元件的表面及亞表面吸收缺陷的檢測與成像。本發明採用紅外探測器陣列對光學元件樣品受激產生的紅外輻射進行檢測，能夠直接獲得關於光學元件樣品缺陷分布的二維圖像，與傳統採用單點探測器進行二維逐點掃描來獲取缺陷分布圖像相比，速度更快，效率更高。使用本發明，即使是對大口徑光學元件進行檢測，也只需對樣品進行分區掃描。以典型的大口徑熔融石英元件為例，其通光口徑大約為0.5米X 0.5米。如果需要對其表面及亞表面吸收缺陷進行全覆蓋檢測，並且空間解析度要求10微米(即每10微米X 10微米取樣一點)，用傳統的光熱測量方法把整個樣品掃描一遍將需要347222.2小時(假設每一點移動準備及積分測量時間累計只需500毫秒)，亦即14467.6天或者說39.64年，這在實際應用中是根本不現實的。使用基於本發明的成像方法及裝置，假設使用1280 X 1024 pixels紅外陣列探測器、紅外光學系統成像解析度為10微米(即每10微米X 10微米對應一個成像點)，那麼如果每幅圖像樣品移動準備及鎖相積分時間為100秒，整幅掃描測量同樣的樣品只需要52.98個小時，變得切實可行；如果每幅圖像樣品移動準備及鎖相積分時間為10秒，整幅掃描成像同樣的樣品只需要5.3個小時，變得更為快捷。本發明也可以應用於中小型口徑光學元件測量。在用於中小型口徑光學元件時，本發明可以在保持測量速度適當的情況下大幅度降低對泵浦光源的功率要求，從而大幅度降低相關測量系統的成本、體積和重量。
圖1是本發明光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置的應用原理圖。
具體實施例方式見圖1，光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，包括有相對光學元件4前表面設置的泵浦光源1，順次設置於泵浦光源I發射端和光學元件4前表面之間的泵浦光束調製裝置2和泵浦光束整形處理裝置3，相對光學元件4後表面設置的泵浦光吸收裝置5，相對光學元件4前表面設置的第一紅外成像裝置6，依次設置於第一紅外成像裝置7後端的第一紅外濾波裝置7和第一紅外探測器陣列8，相對光學元件I後表面設置的第二紅外成像裝置9，依次設置於第二紅外成像裝置9後端的第二紅外濾波裝置10和第二紅外探測器陣列11，用於固定光學元件4的樣品裝夾掃描裝置12，分別與泵浦光束調製裝置2、第一紅外探測器陣列8、第二紅外探測器陣列11連接的鎖相放大檢測裝置13。見圖1，光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，包括以下步驟:
由泵浦光源I發出的泵浦光束依次經過泵浦光束調製裝置2、泵浦光束整形處理裝置3
後，入射到待測光學元件4上，並在經過光學元件4後由泵浦光吸收裝置5吸收。根據具體的檢測實驗需要，泵浦光束整形處理後可以是會聚到待測光學元件4表面的聚焦光，也可以是平行光。泵浦光束在待測光學元件4前表面及前亞表面區域產生的紅外輻射經過第一紅外成像裝置6收集、並經過第一紅外濾波裝置7濾波後入射到第一紅外探測器陣列8上進行成像探測分析；待測光學元件4後表面及後亞表面區域產生的紅外輻射經過第二紅外成像裝置9收集、並經過第二紅外濾波裝置10濾波後入射到第二紅外探測器陣列11上進行成像探測分析。在探測時，對第一紅外探測器陣列8和第二紅外探測器陣列11進行鎖相檢測，即利用調製泵浦光的同樣的調製信號作為鎖相放大檢測裝置13的參考信號，第一紅外探測器陣列8和第二紅外探測器陣列11所測得的信號由鎖相放大檢測裝置13進行檢測，並由圖像採集處理終端進行採集處理，以獲得關於樣品表面及亞表面區域的缺陷分布的圖像信息。利用鎖相放大檢測裝置進行檢測時，積分時間可以根據信號強弱及信噪比大小來進行選擇。待測光學元件4裝夾在樣品裝夾掃描裝置12上，可以通過移動待測光學元件4來實現一幅一幅的二維成像，實現對待測光學元件4前後表面區域的全覆蓋檢測。
權利要求
1.光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)、用經過調製的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光學元件內部並從後表面出射，光學元件的前表面及前亞表面區域、內部區域、後表面及後亞表面都會因為光學元件對泵浦光束能量的吸收而產生局部溫度升高並進而產生紅外輻射； (2)、光學元件的前表面及前亞表面區域的紅外輻射由相對光學元件的前表面設置的第一紅外成像裝置收集、並經過第一紅外濾波裝置濾波後入射到第一紅外探測器陣列上進行成像探測分析，第一紅外探測器陣列進行探測的時候，用調製泵浦光的同樣的調製信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第一紅外探測器陣列獲得的信號進行鎖相放大檢測以實現高靈敏探測； (3)、光學元件的後表面及後亞表面區域的紅外輻射由相對光學元件的後表面設置的第二紅外成像裝置收集、並經過第二紅外濾波裝置濾波後入射到第二紅外探測器陣列上進行探測分析，第二紅外探測器陣列進行探測的時候，用調製泵浦光的同樣的調製信號作為鎖相放大檢測裝置的參考信號，用鎖相放大檢測裝置對第二紅外探測器陣列獲得的信號進行鎖相放大檢測以實現高靈敏探測。
2.根據權利要求1所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法，其特徵在於:所述的光學元件前、後表面進行分區域的二維掃描，從而實現對光學元件表面全覆蓋的成像檢測。
3.光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特徵在於:包括有相對光學元件前表面設置的泵浦光源，設置於泵浦光源發射端和光學元件前表面之間的泵浦光束調製裝置，相對光學元件前表面設置的第一紅外成像裝置，依次設置於第一紅外成像裝置後端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測器陣列，相對光學元件後表面設置的第二紅外成像裝置，依次設置於第二紅外成 像裝置後端的第二紅外濾波裝置和第二紅外探測器陣列，分別與泵浦光束調製裝置、第一紅外探測器陣列、第二紅外探測器陣列連接的鎖相放大檢測>j-U ρ α裝直。
4.根據權利要求3所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特徵在於:所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有設置於泵浦光束調製裝置和光學元件前表面之間的泵浦光束整形處理裝置。
5.根據權利要求3所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特徵在於:所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有相對光學元件後表面設置的泵浦光吸收裝置。
6.根據權利要求3所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置，其特徵在於:所述的光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像裝置還包括有用於固定光學元件的樣品裝夾掃描裝置。
全文摘要
本發明公開了一種光學元件表面及亞表面缺陷檢測紅外鎖相成像方法及裝置，該方法及裝置將紅外成像技術與鎖相放大檢測技術結合，通過利用受調製的泵浦雷射激發樣品產生周期性紅外輻射，利用紅外探測陣列來探測所產生的紅外輻射，並對紅外探測陣列的信號進行鎖相放大檢測，獲得有關樣品缺陷的高分辨的圖像信息，同時利用所激發的紅外輻射在選定波段對一些光學材料穿透深度非常有限的物理特性來排除樣品體內紅外信號對檢測結果的影響，從而只對樣品表面及亞表面的吸收缺陷分布進行成像檢測。該方法和裝置適用於光學元件表面及亞表面吸收缺陷檢測與成像，特別適合特大型高功率雷射系統中常用的大口徑光學元件表面及亞表面吸收缺陷的檢測與成像。
文檔編號G01N21/88GK103149217SQ20131007715
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優先權日2013年3月12日
發明者吳周令, 陳堅, 黃明 申請人:合肥知常光電科技有限公司