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提高激光 薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法

阅读：866发布：2020-07-05

专利汇可以提供提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法，光学系统基于表面热透镜原理，由探测光路和泵浦光路组成；泵浦光经透镜聚焦后辐照于样品表面，探测光斑与泵浦光斑重合；样品表面上探测光的光斑相当于或大于泵浦光的光斑；探测光和泵浦光分别被斩波器同频调制且两列调制波的相位可控；样品反射的探测光经过成像透镜后由面阵列CCD相机接收；根据图像锁相原理得到薄膜吸收对应的图像锁相信号。本发明具有灵敏度高，调节简便，测量结果直观，测量的空间分辨率高的特点。，下面是提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于该系统由泵浦光路、探测光路、成像光路和计算机(17)构成：
所述的泵浦光路由泵浦光(10)及沿该泵浦光(10)依次设置的第二衰减器(11)、第二调制器(12)和第二透镜(13)构成，该泵浦光(10) 经第二透镜(13)聚集后照射在待测的薄膜样品(2)上形成泵浦光斑；
所述的探测光路由探测光(5)及沿该探测光(5)依次设置的第一衰减器(6)、第一调制器(7)、第一反射镜(8)和第一透镜(9)构成，所述的探测光(5)经所述的第一调制器(7)进行相位调制和所述的第一透镜(9)聚集在待测的薄膜样品(2)上，使该探测光斑覆盖所述的泵浦光斑；
所述的成像光路包括在所述的探测光的反射光方向的第二反射镜 (14)、扩束透镜(15)和面阵CCD(16)；
所述的计算机(17)分别与所述的面阵CCD(16)、第一调制器(7) 和第二调制器(12)相连。
2、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述的第一透镜(9)和第二透镜(13)的双面镀增透膜。
3、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述的第一调制器(7)和第二调制器(12)是机械斩波器、声光调制器或其它调制器件。
4、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述的泵浦光是红外基频激光、二倍频激光或三倍频激光。
5、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述的探测光为基模He-Ne激光。
6、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述第一反射镜(8)和第二反射镜(14)为632.8nm 45°全反镜。
7、根据权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特征在于所述面阵CCD(16)具有百万以上的像素。
8、利用权利要求1所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统进行薄膜吸收测量的方法，其特征在于包括下列步骤：
①调整第二透镜(13)使泵浦光在薄膜样品(2)表面上得到合适的泵浦光斑，调整第二衰减器(11)控制泵浦光在薄膜样品(2)表面上的功率，使得测量在线性范围以内；
②调整第一透镜(9)，使所述的探测光在薄膜样品(2)表面上的光斑覆盖所述的泵浦光斑，调整第一衰减器(6)控制探测光(5)的强度，使面阵CCD(16)不会过饱和；
③调整扩束透镜(15)，使从薄膜样品(2)表面反射的探测光成像于CCD接收面并充满整个接收面；
④通过计算机(17)同步控制所述的第一调制器(7)和第二调制器 (12)的调制频率和初始相位，调制探测光(5)和泵浦光(10)的相对初相位值依次为0、π/2、π和3π/2，同时所述的计算机(17)驱动所述的面阵CCD(16)依次记录四个相位下的反射探测光信号S1、S2、S3和S4，计算机(17)接收所述的面阵CCD(16)输入的信号，并根据公式 $S = \sqrt{{[S_{1} - S_{3}]}^{2} + {[S_{2} - S_{4}]}^{2}}$ 计算得到吸收引起的光强变化的振幅信号值S。

说明书全文

技术领域

本发明与激光薄膜的吸收测量有关，是一种提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法。

技术背景

激光辐照光学薄膜时，薄膜对激光产生吸收和散射。吸收和散射不仅会导致薄膜性能的下降，而且容易引起薄膜的光致损伤。光的吸收是指入射光能转化为薄膜样品的热能等其他形式的能量。对激光薄膜的吸收测量及其热缺陷检测，已经成为确认产品质量，追溯样品缺陷来源的重要技术手段。基于薄膜吸收与损伤阈值的关系，对薄膜吸收的面分布测量可以为薄膜预处理标定有效处理区域，从而极大提高处理效率。

光热技术作为一种非接触的无损测量方法被广泛应用于薄膜吸收测量中。其中，表面热透镜技术由于其测量系统稳定、调节简便而被广泛应用，可以实现对薄膜吸收的单点测量、二维面扫描测量，测量灵敏度达到0.1ppm量级。该方法的面扫描测量空间分辨率除了理论模型的局限外，测量中主要取决于泵浦光斑半径和步进平台步距的大小。在实际面吸收测量中，为提高测量效率泵浦光斑的半径不可能无限减小，这就不可避免的产生了测量效率和测量空间分辨率的矛盾。

如今，由于大口径光学器件的应用越来越广泛，对样品的面吸收测量及热缺陷检测成为重要的研究课题。在保证测量效率的前提下提高测量的空间分辨率对完善器件检测技术意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统及方法，在保证测量速度的前提下提高吸收测量的空间分辨率。
本发明的技术解决方案如下：
一种提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，其特点在于该系统由泵浦光路、探测光路、成像光路和计算机构成：
所述的泵浦光路由泵浦光及沿该泵浦光依次设置的第二衰减器、第二调制器和第二透镜构成，该泵浦光经第二透镜聚集后照射在待测的薄膜样品上形成泵浦光斑；
所述的探测光路由探测光及沿该探测光依次设置的第一衰减器、第一调制器、第一反射镜和第一透镜构成，所述的探测光经所述的第一调制器进行相位调制和所述的第一透镜聚集在待测的薄膜样品上，使该探测光斑覆盖所述的泵浦光斑；
所述的成像光路包括在所述的探测光的反射光方向的第二反射镜、扩束透镜和面阵CCD；
所述的计算机分别与所述的面阵CCD、第一调制器和第二调制器相连。
所述的第一透镜和第二透镜的双面镀增透膜。
所述的第一调制器和第二调制器是机械斩波器、声光调制器或其它调制器件。
所述的泵浦光是红外基频激光、二倍频激光或三倍频激光。
所述的探测光为基模He-Ne激光。
所述第一反射镜和第二反射镜为632.8nm 45°全反镜。
所述面阵CCD具有百万或百万以上的像素。
利用上述提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统进行薄膜吸收测量的方法，包括下列步骤：
①调整第二透镜使泵浦光在薄膜样品表面上得到合适的泵浦光斑，调整第二衰减器控制泵浦光在薄膜样品表面上的功率，使得测量在线性范围以内；
②调整第一透镜，使所述的探测光在薄膜样品表面上的光斑覆盖所述的泵浦光斑，调整第一衰减器控制探测光的强度，使面阵CCD不会过饱和；
③调整扩束透镜，使从薄膜样品表面反射的探测光成像于CCD接收面并充满整个接收面；
④通过计算机同步控制所述的第一调制器和第二调制器的调制频率和初始相位，调制探测光和泵浦光的相对初相位值依次为 0、π/2、π和3π/2，同时所述的计算机驱动所述的面阵CCD依次记录四个相位下的反射探测光信号S1、S2、S3和S4，计算机(17)接收所述的面阵 CCD(16)输入的信号，并根据公式

S = \sqrt{{[S_{1} - S_{3}]}^{2} + {[S_{2} - S_{4}]}^{2}}

计算得到吸收引起的光强变化的振幅信号值S。
本发明具有以下优点：
1、本发明利用表面热透镜原理，灵敏度高，调节简便。
2、由于本发明采用了具有百万以上像素的面阵CCD相机作为薄膜吸收信息的信号接收器件，由此提高测量的空间分辨率百万倍，方法简单易行。
附图说明
图1是表面热透镜原理示意图
图2是本发明提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统实施例的光路示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是表面热透镜原理示意图，本发明的方法是基于薄膜表面热透镜原理的，泵浦光经透镜聚焦后辐照于薄膜样品2表面，探测光斑与泵浦光斑重合，薄膜样品上探测光3的光斑相当于或大于泵浦光1的光斑，探测光3和泵浦光1分别被斩波器同频调制，两个调制光的相对相位设定为0、π/2、π和3π/2，薄膜样品2反射的探测光经过扩束透镜后由面阵CCD相机4接收，对应于上述四个相位状态面阵CCD 相机4依次记录四幅探测光图像S1、S2、S3和S4，根据图像锁相原理得到薄膜吸收对应的光强变化信号的振幅值

S = \sqrt{{[S_{1} - S_{3}]}^{2} + {[S_{2} - S_{4}]}^{2}} .

这种探测方式称为图像模式。
空间分辨率r描述的是测量系统能够分辨的两个不同吸收点的最小距离。可分辨的两个吸收点采用瑞利判据进行定义。对于图像模式，物空间的分辨率用像空间分辨率进行表征。在像空间，CCD至少需要两个像素来分辨一对线，因此能够达到的最大分辨率是R＝2×Pixel，Pixel为象元大小。如果系统的成像放大率为M，那么物空间的最大空间分辨率满足方程：
r＝R/M＝2×Pixel/M (1)
一般情况，根据图像锁相原理得到薄膜吸收对应的图像锁相信号。物空间信号为探测光衍射图样，像空间信号为CCD记录的图像。由于物空间信号放大成像于像空间，物空间信号被所有面阵象元所表征，从而提高了测量的空间分辨率。透镜的放大率越大，面阵CCD的像素数越高，象元越小，则空间分辨率越高。
图2是本发明提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统实施例的光路示意图，由图可见，本发明提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统，该系统由泵浦光路、探测光路、成像光路和计算机17构成：
所述的泵浦光路由泵浦光10及沿该泵浦光10依次设置的第二衰减器11、第二调制器12和第二透镜13构成，该泵浦光10经第二透镜13 聚集后照射在待测的薄膜样品2上形成泵浦光斑；
所述的探测光路由探测光5及沿该探测光5依次设置的第一衰减器 6、第一调制器7、第一反射镜8和第一透镜9构成，所述的探测光5经所述的第一调制器7进行相位调制和所述的第一透镜9聚集在待测的薄膜样品2上，使该探测光斑覆盖所述的泵浦光斑；
所述的成像光路包括在所述的探测光的反射光方向的第二反射镜 14、扩束透镜15和面阵CCD16；
所述的计算机17分别与所述的面阵CCD16、第一调制器7和第二调制器12相连。
本实施例中：
所述的泵浦光10可以是红外基频激光，其二倍频或三倍频激光；所述的探测光5为基模He-Ne激光。
上述泵浦光10经过第二透镜13聚焦于薄膜样品2表面，探测光5 可以是聚焦的也可以直接辐照在薄膜样品表面；薄膜样品上探测光斑的半径大于泵浦光斑的半径。
所述面阵CCD16具有百万或百万以上的像素。上述的调制器是机械斩波器。所述的扩束透镜15可以是单个负透镜或是组合透镜，其放大率M要求满足M＞1，透镜系统需要双面镀膜且消球差和畸变。
上述的图像锁相技术，它将锁相原理应用于处理一列连续图像的所有象元。得到的最终结果是一或两幅图像，他们分别对应传统的锁相放大器得到的一个或两个直流输出。
薄膜吸收引起探测光强的微小变化由图像锁相技术获取。对探测光 5和泵浦光10分别利用第一调制器7，第二调制器14施加同频调制，调制的两束光的相对初相位值依次设定为0，π/2，π，3π/2，并由CCD 16 依次记录四个相位下的反射探测光信号S1，S2，S3，S4。根据公式

S = \sqrt{{[S_{1} - S_{3}]}^{2} + {[S_{2} - S_{4}]}^{2}}

得到吸收引起的光强变化的振幅信号值S。计算机17控制所述的第一调制器7和第二调制器14的调制频率和初始相位，并接收并处理由CCD 16输入的信号。
扩束透镜15对样品反射的探测光扩束后，使之成像于CCD接收面并充满整个面元。信号分布于整个感应面元时，较小探测区域的信号被更大的面阵象元所表征，从而提高测量的空间分辨率。
在实施例中，第一衰减器6对探测光衰减使得CCD不会过饱和，第二衰减器11控制泵浦光在样品2表面上的功率，使得测量在线性范围以内。
在实施例中，第一透镜9和第二透镜13分别对探测光5和泵浦光 10聚焦，从而控制光斑大小和功率密度。要求第一透镜9和第二透镜13 双面镀增透膜。
在实施例中，第一反射镜8和第二反射镜13为632.8nm45°全反镜。
利用所述的提高激光薄膜吸收测量空间分辨率的光学系统进行薄膜吸收测量的方法，包括下列步骤：
①调整第二透镜13使泵浦光在薄膜样品2表面上得到合适的泵浦光斑，调整第二衰减器11控制泵浦光在薄膜样品2表面上的功率，使得测量在线性范围以内；
②调整第一透镜9，使所述的探测光在薄膜样品2表面上的光斑覆盖所述的泵浦光斑，调整第一衰减器6控制探测光5的强度，使面阵 CCD16不会过饱和；
③调整扩束透镜15，使从薄膜样品2表面反射的探测光成像于CCD 接收面并充满整个接收面；
④通过计算机17同步控制所述的第一调制器7和第二调制器12的调制频率和初始相位，调制探测光5和泵浦光10的相对初相位值依次为 0、π/2、π和3π/2，同时所述的计算机17驱动所述的面阵CCD16依次记录四个相位下的反射探测光信号S1、S2、S3和S4，计算机(17)接收所述的面阵CCD16输入的信号，并根据公式

S = \sqrt{{[S_{1} - S_{3}]}^{2} + {[S_{2} - S_{4}]}^{2}}

计算得到吸收引起的光强变化的振幅信号值S。
经实验表明，本发明在保证测量速度的前提下，大幅度地提高了薄膜吸收测量的空间分辨率。本发明具有灵敏度高，调节简便，测量结果直观，测量的空间分辨率高的特点。

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