專利名稱：光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及固體材料光學吸收缺陷探測領域，具體是一種光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法及裝置。
背景技術：
固體材料在其加工過程中不可避免地會引入表面缺陷以及亞表面缺陷，從而影響材料在其表面及亞表面的光學吸收特性。對很多光學材料而言，例如常用于強激光系統中的熔融石英玻璃和KDP晶體等，由于在材料切割、研磨、拋光等過程中引入的污染和缺陷，其表面及亞表面的光學質量往往比相關材料的本征特性差得很多,從而使得固體材料的表面及亞表面在很多應用中成為限制固體材料本征特性的問題，比如在強激光系統中成為最容易被激光損傷的薄弱環節。所以探測表面及亞表面吸收缺陷，并在此基礎上結合加工工藝改進材料的表面及亞表面特性，有著非常重要的意義。固體材料光學表面缺陷的檢測方法有很多，包括高分辨散射測量方法，高分辨熒光測量方法，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場光學顯微鏡，以及高分辨光聲顯微鏡，以及各類高分辨光熱顯微鏡等。高分辨散射測量方法主要用于對由于光學折射率或者面形缺陷引起的不均勻性的檢測分析，而難以用于吸收缺陷的檢測分析。高分辨熒光測量方法可以較好的探測光學吸收缺陷，但是其探測的缺陷主要屬于吸收并且易于發射熒光的缺陷，對于在激光破壞過程中經常起關鍵作用的很多吸收缺陷并不敏感。光聲及各種光熱顯微方法通過合理的實驗設計和模型計算，在一定程度上可以對體內吸收缺陷與表面、亞表面吸收缺陷有所區分，但是這類方法在深度方向的分辨能力取決于被測樣品的光熱特性、具體的實驗參數、以及用來進行計算的模型的準確性，因此雖然理論上可行，實際應用中難度其實很大。而原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，近場光學顯微鏡等高分辨手段主要探測的是樣品表面形貌及光學折射率的不均勻性，對光學吸收缺陷一般并不敏感。綜上所述，目前尚沒有一種良好的高分辨率方法能夠用來直接探測固體材料的表面及亞表面吸收缺陷，特別是吸收比較微弱的透明固體材料表面及亞表面的吸收缺陷。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法及裝置，可對光熱輻射透明和不透明的樣品進行檢測，可在微米到亞微米量級的亞表面區域獲得微米到亞微米量級的橫向分辨率，其檢測分辨率高。本發明的技術方案為:
光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，包括有對光熱紅外福射透明樣品的檢測和對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，對光熱紅外輻射透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠大于樣品厚度；對光熱紅外輻射不透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠小于樣品的厚度；
(1)、對光熱紅外輻射透明樣品的檢測，如圖1所示，包括有以下步驟:
a、泵浦激光束經高倍數、高數值孔徑聚焦系統聚焦到被測樣品前表面，并進入被測樣品內部，在泵浦激光束傳輸的過程中，在焦深之內的前表面及前亞表面區域，泵浦激光束將激發強的光熱紅外輻射，此強光熱紅外輻射通過被測樣品后從被測樣品后表面出射，而在焦深之外的樣品內部區域，泵浦激光束將很快發散，同時其所激發的光熱紅外輻射將急劇減弱；這是由于激發產生的光熱紅外輻射信號強度與泵浦激光的功率密度成正比，在焦深之內，功率密度很高，所以光熱紅外輻射信號很強；在焦深之外，泵浦光束很快發散，光斑變大，功率密度大大降低，所以紅外輻射信號急劇減弱；
b、從被測樣品后表面出射的光熱紅外輻射通過紅外濾波器，由紅外輻射收集裝置收集后進入紅外探測系統上進行探測分析；
(2)、對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，如圖2所示，包括有以下步驟:
a、泵浦激光束經過高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統聚焦到被測樣品上，焦點位于樣品后表面，在泵浦激光束傳輸的過程中，泵浦激光束在樣品內部區域、后亞表面區域和后表面都激發了光熱紅外輻射，其中，后亞表面的探測深度為Q-1Cm,其中α為能夠透過紅外濾波器的光熱紅外輻射在被測樣品中的平均吸收系數；被測樣品探測深度以外的內部區域激發的光熱紅外輻射因被被測樣品本身吸收而幾乎全部衰減，而在后亞表面區域和后表面激發的光熱紅外輻射將透過被測樣品后表面；
b、從被測樣品后表面出射的光熱紅外輻射通過紅外濾波器，由紅外輻射收集裝置收集后進入紅外探測系統上進行探測分析。所述的步驟(I)中經過收集會聚后的光熱紅外輻射，再經過紅外探測系統中的空間濾波器進一步濾除樣品內部區域激發的弱光熱紅外輻射，最后在焦深之內的前表面及前亞表面區域激發的強光熱紅外輻射通過紅外探測系統的空間濾波器進入紅外探測系統的紅外探測器上進行探測分析。所述步驟(I)中所選用的紅外濾波器和紅外探測器的波段對被測樣品是透明的。所述的步驟(2)中經過收集會聚后的光熱紅外輻射，再經過紅外探測系統中的空間濾波器進一步濾除被測樣品探測深度以外的內部區域激發的殘余光熱紅外輻射，最后在樣品后亞表面區域和后表面激發的強光熱紅外輻射通過紅外探測系統的空間濾波器進入紅外探測系統的紅外探測器上進行探測分析。所述步驟(2)中紅外濾波器和紅外探測器的波段的選擇根據所測樣品的紅外吸收特性確定，所測樣品對所選的紅外波段強烈吸收。所述的經過高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統聚焦獲得的泵浦光束在樣品前表面或后表面的焦斑尺寸在微米量級。根據具體的泵浦激光波長及聚焦光學系統特性，泵浦光在樣品表面的橫向焦斑尺寸能夠比較容易地達到微米甚至亞微米量級。而在縱深方向，泵浦光焦深(圖1和圖2中虛線所示)亦可以在微米甚至亞微米量級。即以上所述的檢測方法的分辨率可以比較容易的達到微米量級。步驟(2)的方法適用于對相關光熱紅外輻射不透明的樣品，而樣品亞表面區域內的探測深度則取決于a—Hcm)，其中α為能夠透過紅外濾波器的光熱紅外輻射在樣品中的平均吸收系數。α的具體數值取決于如下因素:樣品的紅外本征特性；紅外探測系統的檢測波長；以及紅外濾波器的透過波段。由于固體材料紅外本征特性對指定材料是固定的，所以被測樣品亞表面探測深度的大小取決于紅外探測系統的選擇，以及紅外濾波器的設計。以常見的光學材料熔融石英為例，熔融石英對紫外到近紅外波段的泵浦激光都是基本透明的。熔融石英在泵浦光激發下會產生光熱輻射效應。對這種光熱輻射效應的探測如果選用3-5微米的常見紅外探測器，則其探測深度(α—1)在毫米到厘米量級；而如果選擇8-14微米的另一類常見紅外探測器，則其探測深度(α—1)為微米量級。如果在選擇8-14微米紅外探測器的同時再配上9微米的窄帶紅外濾光片，則其探測深度(α 將大約為300納米(熔融石英對9微米波長的吸收長度約為300納米)。距離表面300nm到微米量級的深度是典型的亞表面區域。光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，包括有相對被測樣品前表面設置的泵浦光源，設置于泵浦光源和被測樣品之間的高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統，相對被測樣品后表面設置的紅外濾波器，依次設置于紅外濾波器后端的紅外信號收集系統和紅外探測系統。所述的紅外探測系統是由紅外探測器及放置于其前端的空間濾波器組成。所述的泵浦光源和光學聚焦系統之間設置有設置有泵浦激光束調制器和泵浦激光束整形擴束裝置。所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置還包括有用于固定樣品的裝夾掃描裝置。本發明的原理為:
本發明通過光熱輻射測量技術來獲得吸收缺陷區域的信息。光熱輻射技術是測量樣品在激光照射下產生的紅外輻射波的一種無損檢測技術，其基本原理是:一束經過調制的激光束入射到樣品的表面，樣品吸收激光束的能量后會引起局部溫度變化，從而引起樣品的紅外熱輻射的變化。因激光照射而引起的紅外熱輻射信號與樣品的吸收直接關聯，通過測量激光照射引起的紅外熱輻射信號就可以獲得樣品的吸收特性。本發明的優點為:
本發明利用高度聚焦的泵浦激光束來激發光熱輻射技術，并根據被測材料的紅外光學特性來合理設計兩種不同的檢測方法和檢測裝置，可以對被測樣品表面及亞表面光學吸收特性進行直接探測而不受樣品體內吸收信號的影響。根據被測樣品的特性和光路設計，本發明可以在微米到亞微米量級的亞表面區域獲得微米到亞微米量級的橫向分辨率。而對表面及亞表面吸收缺陷大面積檢測和成像則通過對樣品二維掃描來實現。
圖1是本發明適用于對光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置的結構示意圖，其中，I為光學聚焦系統，2為被測樣品前表面，3為被測樣品前亞表面區域，4為被測樣品處于泵浦激光焦深之外的內部區域，5為紅外濾波器，6為紅外信號收集系統，7為紅外探測系統。圖2是本發明適用于對光熱紅外輻射不透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置的結構示意圖，其中，8為光學聚焦系統，9為被測樣品探測深度以外的內部區域，10為被測樣品后亞表面區域，11為被測樣品后表面，12為泵浦激光束在被測樣品探測深度以外的內部區域激發的光熱紅外輻射，13為泵浦激光束在被測樣品后亞表面區域和后表面激發的光熱紅外輻射，14為紅外濾波器，15為紅外信號收集系統，16為紅外探測系統。圖3是本發明實施例1中適用于對光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置的結構示意圖，其中，17為泵浦激光器，18為泵浦激光束調制器，19為泵浦激光束整形擴束裝置，20為光學聚焦系統，21為被測樣品，22為紅外濾波器，23為紅外信號收集系統，24為紅外探測系統，25為樣品掃描系統，26為泵浦光吸收裝置。圖4是本發明實施例2中適用于對光熱紅外福射不透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置的結構示意圖，其中，27為泵浦激光器，28為泵浦激光束調制器，29為泵浦激光束整形擴束裝置，30為光學聚焦系統，31為被測樣品，32為紅外濾波器，33為紅外信號收集系統，34為紅外探測系統，35為樣品掃描系統，36為泵浦光吸收裝置。
具體實施例方式光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，包括有對光熱紅外輻射透明樣品的檢測和對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，對光熱紅外輻射透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠大于樣品厚度；對光熱紅外輻射不透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠小于樣品的厚度；
(1)、對光熱紅外輻射透明樣品的檢測，基本原理如圖1所示:
a、泵浦激光束經高倍數、高數值孔徑的光學聚焦系統I聚焦到被測樣品2前表面3處并進入到被測樣品內部，在泵浦激光束傳輸的過程中，在焦深之內的前表面3及前亞表面4區域，泵浦激光束將激發強的光熱紅外輻射，此強光熱紅外輻射通過被測樣品后從被測樣品后表面出射，而在焦深之外的樣品內部區域5，泵浦激光束將很快發散，同時其所激發的光熱紅外福射將急劇減弱；
b、從被測樣品后表面出射的泵浦 激光束和光熱紅外輻射通過紅外濾波器5，其中，泵浦激光束被紅外濾波器5遮擋，光熱紅外輻射通過紅外濾波器5后，由紅外信號收集系統6收集會聚后，再經過紅外探測系統7的空間濾波器進一步濾除樣品內部區域激發的弱光熱紅外輻射，最后在焦深之內的前表面及前亞表面區域激發的強光熱紅外輻射通過紅外探測系統7的空間濾波器進入紅外探測系統7的紅外探測器上進行探測分析；
(2)、對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，基本原理如圖2所示:
a、泵浦激光束經過適當倍數和數值孔徑的聚焦光學系統8聚焦到被測樣品上，焦點位于樣品后表面處，在泵浦激光束傳輸的過程中，泵浦激光束在樣品內部區域、后亞表面區域和后表面都激發了光熱紅外輻射，其中，后亞表面13的探測深度為C^1Cm, α為能夠透過紅外濾波器的光熱紅外輻射在被測樣品中的平均吸收系數；被測樣品探測深度以外的內部區域12激發的光熱紅外輻射12因被被測樣品本身吸收而幾乎全部衰減，而在后亞表面區域13和后表面14激發的光熱紅外輻射13將透過被測樣品后表面；
b、從被測樣品后表面出射的泵浦激光束和光熱紅外輻射通過紅外濾波器14，其中，泵浦激光束被紅外濾波器14遮擋，光熱紅外輻射通過紅外濾波器14，然后光熱紅外輻射經紅外信號收集系統15收集匯聚后，再經過紅外探測系統16的空間濾波器進一步濾除樣品內部區域激發的殘余光熱紅外輻射12，最后在樣品后亞表面區域和后表面激發的強光熱紅外輻射13通過紅外探測系統16的空間濾波器進入紅外探測系統16的紅外探器上進行探測分析。實施例1
見圖3，適用于對光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，包括有相對被測樣品21前表面設置的泵浦光源17，順次設置于泵浦光源和被測樣品之間的泵浦激光束調制器18、泵浦激光束整形擴束裝置19和光學聚焦系統20，相對被測樣品21后表面設置的紅外濾波器22，依次設置于紅外濾波器22后端的紅外信號收集系統23和紅外探測系統24，用于掃描被測樣品21的樣品掃描系統25和設置于紅外濾波器22側部的泵浦光吸收裝置26 ；
由泵浦光源17發出泵浦光束經泵浦光束調制器18調制后由高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統20聚焦到被測樣品表面，樣品表面處的泵浦光束焦點尺寸在微米量級；由樣品后表面出射的紅外輻射經過紅外濾波器22后進入到紅外探測系統24中，紅外濾波器和紅外探測系統的波段對所測樣品是透明的；；紅外探測系統24包含紅外探測器及放置于紅外探測器前端的空間濾波器，空間濾波器的小孔位置與泵浦激光束在被測樣品21表面的焦點是物象共軛關系，以進一步排除來自被測樣品21內部區域的弱光熱紅外輻射，紅外探測系統24接受到的紅外輻射信號在泵浦光為連續調制的條件下可以由鎖相放大器進行分析；如果泵浦光為脈沖光源則可以采用相應脈沖信號放大分析系統。由樣品后表面出射的泵浦光束經由紅外濾波器22反射后由紅外輻射吸收裝置26吸收。樣品掃描系統25可以對被測樣品21進行三維方向的移動，其中縱向掃描主要用來調整光路，而X-Y方向的二維掃描則用來實現對被測樣品21表面及亞表面區域的掃描成像。該系統適用于對相關光熱紅外輻射波段透明的樣品，它可以在樣品表面和縱深方向距離表面微米到亞微米量級的亞表面區域內獲得微米到亞微米量級的橫向分辨率。實施例2
見圖4，適用于對光熱紅外輻射透明樣品表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，包括有相對被測樣品31前表面設置的泵浦光源27，順次設置于泵浦光源和被測樣品之間的泵浦激光束調制器28、泵浦激光束整形擴束裝置29和光學聚焦系統30，相對被測樣品31后表面設置的紅外濾波器32，依次設置于紅外濾波器32后端的紅外信號收集系統33和紅外探測系統34，用于掃描被測樣品31的樣品掃描系統35和設置于紅外濾波器32側部的泵浦光吸收裝置36 ；
本實施實現對光學樣品表面及亞表面缺陷高分辨檢測與成像的過程與實施例1類似，所不同的是該檢測裝置適用于對相關光熱紅外輻射波段不透明樣品的檢測，可以在樣品表面和縱深方向距離表面微米到亞微米量級的亞表面區域內獲得微米甚至亞微米量級的橫向分辨率，但它而對樣品亞表面區域內探測深度主要則取決于a-Hem)，其中α為能夠透過紅外濾波器32的光熱紅外輻射在被測樣品中的平均吸收系數，α的具體數值取決于如下因素:樣品的紅外本征特性；紅外探測系統34的檢測波長；以及紅外濾波器32的透過波段。
權利要求
1.學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:包括有對光熱紅外輻射透明樣品的檢測和對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，對光熱紅外輻射透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠大于樣品厚度；對光熱紅外輻射不透明的樣品，其被檢測的光熱紅外輻射波段在樣品內的吸收深度遠小于樣品的厚度； (1)、對光熱紅外輻射透明樣品的檢測，包括有以下步驟: a、泵浦激光束經高倍數、高數值孔徑聚焦系統聚焦到被測樣品前表面，并進入到被測樣品內部，在泵浦激光束傳輸的過程中，在焦深之內的前表面及前亞表面區域，泵浦激光束激發強的光熱紅外輻射，此強光熱紅外輻射通過被測樣品后從被測樣品后表面出射，而在焦深之外的樣品內部區域，泵浦激光束將很快發散，同時其所激發的光熱紅外輻射將急劇減弱； b、從被測樣品后表面出射的光熱紅外輻射通過紅外濾波器，由紅外輻射收集裝置收集后進入紅外探測系統上進行探測分析； (2)、對光熱紅外輻射不透明樣品的檢測，包括有以下步驟: a、泵浦激光束經過高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統聚焦到被測樣品上，焦點位于樣品后表面，在泵浦激光束傳輸的過程中，泵浦激光束在樣品內部區域、后亞表面區域和后表面都激發了光熱紅外輻射，其中，后亞表面的探測深度為Q-1Cm,其中α為能夠透過紅外濾波器的光熱紅外輻射在被測樣品中的平均吸收系數；被測樣品探測深度以外的內部區域激發的光熱紅外輻射因被被測樣品本身吸收而幾乎全部衰減，而在后亞表面區域和后表面激發的光熱紅外輻射將透過被測樣品后表面； b、從被測樣品后表面出射的光熱紅外輻射通過紅外濾波器，由紅外輻射收集裝置收集后進入紅外探測系統上進行探測分析。
2.根據權利要求1所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:所述的步驟(I)中經過收集會聚后的光熱紅外輻射，再經過紅外探測系統中的空間濾波器進一步濾除樣品內部區域激發的弱光熱紅外輻射，最后在焦深之內的前表面及前亞表面區域激發的強光熱紅外輻射通過紅外探測系統的空間濾波器進入紅外探測系統的紅外探測器上進行探測分析。
3.根據權利要求1所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:所述步驟(I)中所選用的紅外濾波器和紅外探測器的波段對被測樣品是透明的。
4.根據權利要求1所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:所述的步驟(2)中經過收集會聚后的光熱紅外輻射，再經過紅外探測系統中的空間濾波器進一步濾除被測樣品探測深度以外的內部區域激發的殘余光熱紅外輻射，最后在樣品后亞表面區域和后表面激發的強光熱紅外輻射通過紅外探測系統的空間濾波器進入紅外探測系統的紅外探測器上進行探測分析。
5.根據權利要求1所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:所述步驟(2)中紅外濾波器和紅外探測器的波段的選擇根據所測樣品的紅外吸收特性確定，所測樣品對所選的紅外波段強烈吸收。
6.根據權利要求1所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法，其特征在于:所述的經過高倍數、高數值孔 徑光學聚焦系統聚焦獲得的泵浦光束在樣品前表面或后表面的焦斑尺寸在微米量級。
7.學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，其特征在于:包括有相對被測樣品前表面設置的泵浦光源，設置于泵浦光源和被測樣品之間的高倍數、高數值孔徑光學聚焦系統，相對被測樣品后表面設置的紅外濾波器，依次設置于紅外濾波器后端的紅外信號收集系統和紅外探測系統。
8.根據權利要求7所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，其特征在于:所述的紅外探測系統是由紅外探測器及放置于其前端的空間濾波器組成。
9.根據權利要求7所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，其特征在于:所述的泵浦光源和光學聚焦系統之間設置有泵浦激光束調制器和泵浦激光束整形擴束裝置。
10.根據權利要求7所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置，其特征在于:所述的光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測裝置還包括有用于固定樣品的裝夾掃描裝置。
全文摘要
本發明公開了一種光學表面及亞表面吸收缺陷的高分辨率檢測方法及裝置，通過高度聚焦的泵浦激光照射樣品來激發樣品的紅外輻射，同時利用泵浦激光所激發的紅外輻射在特定波段對一些固體材料有一定穿透深度的物理特性來獲得固體材料表面及亞表面對泵浦激光的光學吸收特性。通過掃描樣品，該方法和裝置可以在樣品表面和亞表面區域內獲得微米到亞微米量級的橫向分辨率，適用于光熱無損探傷、光熱精密檢測、光熱顯微成像與缺陷分析、特別是用于強激光系統內的光學元件缺陷檢測等多個領域。
文檔編號G01N21/88GK103091334SQ20131003358
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者吳周令, 陳堅, 王煒, 黃明 申請人:合肥知常光電科技有限公司