專利名稱：一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體材料光學(xué)吸收探測領(lǐng)域，具體是ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法及裝置。
背景技術(shù)：
固體材料在其加工過程中不可避免地會引入表面污染、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(xué)吸收特性。對很多光學(xué)材料而言，例如常用于強(qiáng)激光系統(tǒng)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(xué)吸收往往可以數(shù)倍于相關(guān)材料的體內(nèi)吸收，從而使得相關(guān)元件的表面及亞表面在很多應(yīng)用中成為限制元件性能的瓶頸，比如在強(qiáng)激光系統(tǒng)中成為最容易被激光損傷的薄弱環(huán)節(jié)。探測表面及亞表面吸收，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合加工エ藝改進(jìn)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(xué)吸收的檢測方法有很多，包括對較大吸收樣品的光度測量方法，對較微弱吸收樣品的激光量熱法、光聲方法、以及各類光熱方法等。光度測量方法和激光量熱法在多數(shù)情況下都是探測樣品表面、亞表面、以及樣品體內(nèi)吸收的綜合效應(yīng)，難以用來專門探測表面及亞表面吸收。光聲及各種光熱方法通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型計(jì)算，在一定程度上可以對體內(nèi)吸收與表面、亞表面吸收有所處分。例如，利用蜃景效應(yīng)的光熱偏轉(zhuǎn)方法就可以通過測量和分析不同泵浦光調(diào)制頻率下的光熱信號來對體內(nèi)吸收與表面、亞表面吸收進(jìn)行處分；但是其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(shí)驗(yàn)參數(shù)、以及用來進(jìn)行計(jì)算的模型的準(zhǔn)確性。因此雖然理論上可行，實(shí)際應(yīng)用中難度其實(shí)很大?？傮w上說來目前尚沒有ー種良好的方法能夠用來直接探測固體材料的表面及亞表面吸收，特別是吸收比較微弱的透明固體 材料的表面及亞表面吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法及裝置，通過泵浦光束照射固體材料來激發(fā)固體材料的紅外輻射，同時利用泵浦光束所激發(fā)的紅外輻射在特定波段對ー些固體材料穿透深度非常有限的物理特性來獲得固體材料表面及亞表面對泵浦光束的光學(xué)吸收特性。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法，包括以下步驟:
(1)、用泵浦光束照射固體材料的前表面，此泵浦光束入射到固體材料內(nèi)部并從后表面出射，固體材料的前表面及前亞表面區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域、后表面及后亞表面都會因?yàn)楣腆w材料對泵浦光束能量的吸收而產(chǎn)生局部溫度升高并進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射；
(2)、固體材料的前表面及前亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對固體材料的前表面設(shè)置的紅外輻射收集裝置收集、并經(jīng)過紅外濾波裝置濾波后入射到紅外探測裝置上探測分析；
(3)、固體材料的后表面及后亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對固體材料的后表面設(shè)置的紅外輻射收集裝置收集、并經(jīng)過紅外濾波裝置濾波后入射到紅外探測裝置上探測分析?！N探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，包括有相對固體材料前表面設(shè)置的泵浦光源，相對固體材料前表面設(shè)置的第一紅外輻射收集裝置，依次設(shè)置于第一紅外輻射收集裝置后端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測裝置，相對固體材料后表面設(shè)置的第二紅外輻射收集裝置，依次設(shè)置于第二紅外輻射收集裝置后端的第二紅外濾波裝置和第ニ紅外探測裝置。所述的第一紅外濾波裝置、第二紅外濾波裝置、第一紅外探測裝置和第二紅外探測裝置的選擇滿足第一紅外濾波裝置和第二紅外濾波裝置的透過波段、第一紅外探測裝置和第二紅外探測裝置的探測波段與固體材料的紅外輻射強(qiáng)吸收波段一致。所述的探測固體材料對泵浦激光束是透明的。所述的探測固體材料對泵浦激光束激發(fā)的紅外輻射在選定波段是吸收較大的。所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括有設(shè)置于泵浦光源發(fā)射端和固體材料前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置和泵浦光束整形處理裝置。所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括相對固體材料后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括有用于固定固體材料的樣品裝夾掃描裝置。本發(fā)明的工作原理是:經(jīng)過調(diào)制的泵浦光束入射到固體材料上，固體材料吸收泵浦光束的能量引起局部溫度變化，從而引起固體材料紅外熱輻射的變化。泵浦光束照射引起的紅外熱輻射與樣品的吸收系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)等物質(zhì)特性有關(guān)，通過測量泵浦光束照射引起的紅外輻射信號，可以獲得樣品的吸收系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)等物質(zhì)特性。光熱輻射技術(shù)用于固體材料特性檢測時，根據(jù)固體材料對泵浦光束吸收特性的不同，固體材料可以大致分為兩大類:第一類固體材料對泵浦光束的吸收很大，泵浦光束對固體材料的穿透深度很小，如各類金屬材料，這類材料的光熱輻射信號主要來源于樣品表面及亞表面(泵浦光束穿透深度以內(nèi))的吸收；第二類固體材料對泵浦光束的吸收較小，泵浦光束對固體材料的穿透深度較大，如很多半導(dǎo)體材料以及各類微弱吸收的光學(xué)透明材料
坐寸o本發(fā)明主要針對第二類固體材料，對這類材料，泵浦光束在材料表面、亞表面、以及體內(nèi)都會被吸收并進(jìn)而產(chǎn)生各類光熱信號，包括光熱輻射信號，所以本發(fā)明可以用來直接探測第二類固體材料的表面及亞表面吸收，其基本原理如圖1所示:固體材料為上述第ニ類固體材料，即其對泵浦光束的吸收較小，因此泵浦光束I從前表面入射到固體材料后可以有很深的穿透深度，甚至直接透射到樣品的后表面。在這種條件下固體材料前表面及前亞表面區(qū)域2，內(nèi)部區(qū)域3，后表面及后亞表面4都會因?yàn)楣腆w材料對泵浦光束I能量的吸收而產(chǎn)生局部溫度升高并進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射，簡稱光熱輻射；在固體材料前表面及前亞表面區(qū)域的光熱輻射由第一紅外輻射收集裝置7收集、并經(jīng)過第一紅外濾波裝置濾波8后入射到第一紅外探測裝置9上，而泵浦光束I在固體材料后表面方向光路完全對稱，光熱輻射由固體材料后表面及后亞表面區(qū)域的光熱輻射由第二紅外輻射收集裝置11收集、并經(jīng)過第二紅外濾波裝置12濾波后入射到第二紅外探測裝置13上。由于上述固體材料對泵浦光束I激發(fā)的紅外輻射有一定的吸收，并且這種吸收在不同紅外波長是不同的。假設(shè)上述固體材料對泵浦光束I激發(fā)的、能夠透過紅外濾波裝置8的波段的吸收系數(shù)為a (cnT1)，則該波段紅外輻射在樣品內(nèi)的穿透深度為a-1 (cm)。所以，只有在固體材料前表面和距離前表面a—1 (cm)以內(nèi)的亞表面區(qū)域2的紅外輻射6可以穿越固體材料前表面并最終入射到第一紅外探測裝置9上，而在固體材料內(nèi)部3的紅外輻射5將被固體材料自身吸收，不能到達(dá)第一紅外探測裝置9，因而對第一紅外探測裝置9檢測到的光熱輻射信號沒有貢獻(xiàn)。放在固體材料后表面的探測光路與前表面的類似，只有在固體材料后表面和距離后表面a—Hcm)以內(nèi)的亞表面區(qū)域4的紅外輻射10可以穿越固體材料后表面并最終入射到第二紅外探測裝置13上，而在樣品內(nèi)部3的紅外輻射5將被固體材料自身吸收，不能到達(dá)第二紅外探測裝置13，因而對第二紅外探測裝置13檢測到的光熱輻射信號沒有貢獻(xiàn)。綜上所述，圖1所示方法可以探測樣品表面及深度為ci—Hcm)以內(nèi)的亞表面的吸收信息，其中a為能夠透過紅外濾波裝置的那部分光熱紅外輻射在樣品中的平均吸收系數(shù)。a的具體數(shù)值取決于如下因素:(I)樣品的紅外本征特性；(2)紅外探測裝置9或14的檢測波長；以及(3)紅外濾波裝置8或13的透過波段。由于固體材料紅外本征特性對指定固體材料是固定的，本發(fā)明亞表面探測深度的大小取決于第一紅外探測裝置9和第二紅外探測裝置13的選擇，以及第一紅外濾波裝置8和第二紅外濾波裝置12的設(shè)計(jì)。以常見的光學(xué)材料熔融石英為例。熔融石英對紫外到近紅外波段的泵浦光束都是基本透明的，屬于本發(fā)明所述的典型的第二類固體材料。熔融石英在泵浦光激發(fā)下會產(chǎn)生光熱輻射效應(yīng)。對這種光熱輻射效應(yīng)的探測如果選用3-5微米的常見紅外探測裝置，則其探測深度(a ―1)在毫米到厘米量級；而如果選擇8-14微米的另ー類常見紅外探測裝置，則其探測深度(a ―1)為微米量級。如果在選擇8-14微米紅外探測裝置的同時再配上9微米的窄帶紅外濾光片，則其探測深度(a 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(qū)域。綜上所述，本發(fā)明利用光熱輻射技術(shù)、并結(jié)合探測材料的具體特性來合理選擇紅外探測裝置的光譜波段和紅外濾波裝置，可以對表面及亞表面光學(xué)吸收特性進(jìn)行直接探測而不受固體材料內(nèi)部吸收信號的影響。本發(fā)明除了能夠直接探測表面及亞表面吸收外，還可以同時探測前后表面及亞表面區(qū)域的吸收。由于在同樣的入射激光輻照下，樣品前后表面及相關(guān)亞表面區(qū)域的光場分布不同，這種對比測試對認(rèn)識激光破壞、理和損耗機(jī)理、以及吸收缺陷的分析都有比較重要的意義。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖，其中，I為泵浦光束，2為固體材料前亞表面區(qū)域，3為固體材料內(nèi)部區(qū)域，4為固體材料后亞表面區(qū)域，5為固體材料內(nèi)部紅外輻射，6為前表面及前亞表面紅外輻射，7為第一紅外輻射收集裝置，8為第一紅外濾波裝置，9為第一紅外探測裝置，10為后表面及后亞表面紅外輻射，11為第二紅外輻射收集裝置，12為第二紅外濾波裝置，13為第二紅外探測裝置，a-1為相關(guān)波段紅外輻射在固體材料內(nèi)的穿透深度。圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為泵浦光源，2為泵浦光束調(diào)制裝置，3為泵浦光束整形處理裝置，4為固體材料，5為第一紅外輻射收集裝置，6為第一紅外濾波裝置，7為第一紅外探測裝置，8為第二紅外收集裝置，9為第二紅外濾波裝置，10為第二紅外探測裝置，11為樣品裝夾掃描裝置，12為泵浦光吸收裝置。
具體實(shí)施例方式見圖2，一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，包括有相對固體材料前表面設(shè)置的泵浦光源1，設(shè)置于泵浦光源I發(fā)射端和固體材料4前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置2和泵浦光束整形處理裝置3，相對固體材料4前表面設(shè)置的第一紅外輻射收集裝置5，依次設(shè)置于第一紅外輻射收集裝置5后端的第一紅外濾波裝置6和第一紅外探測裝置7，相對固體材料5后表面設(shè)置的第二紅外輻射收集裝置8，依次設(shè)置于第二紅外輻射收集裝置8后端的第二紅外濾波裝置9和第二紅外探測裝置10，相對固體材料5后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置12，用于固定固體材料5的樣品裝夾掃描裝置11。一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置的工作原理:
由泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束依次經(jīng)過泵浦光束調(diào)制裝置2、泵浦光束整形處理裝置3，調(diào)制后的泵浦光束入射到固體材料4上，并經(jīng)過固體材料4后由泵浦光吸收裝置12吸收。根據(jù)具體的檢測實(shí)驗(yàn)需要，泵浦光束整形處理后可以是會聚到樣品表面的聚焦光，也可以是平行光。泵浦光在固體材料4前表面及前亞表面區(qū)域產(chǎn)生的紅外輻射由第一紅外輻射收集裝置5收集、經(jīng)過第一紅外濾波裝置6后由第一紅外探測裝置7探測；固體材料4后表面及后亞表面區(qū)域產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)由第二紅外收集裝置8收集、經(jīng)過第二紅外濾波裝置9后由第二紅外探測裝置10探測。固體材料4固定在樣品裝夾掃描裝置11上，可以通過逐點(diǎn)ニ維掃描實(shí)現(xiàn)對固體材料4前后表面區(qū)域全檢測。第一紅外探測裝置7和第二紅外探測裝置10探測到的紅外輻射信號在泵浦光為連續(xù)調(diào)制的條件下可以由鎖相放大器進(jìn)行分析；如果泵浦光為脈沖光源則可以利用相應(yīng)脈沖信號放大分析系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)、用泵浦光束照射固體材料的前表面，此泵浦光束入射到固體材料內(nèi)部并從后表面出射，固體材料的前表面及前亞表面區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域、后表面及后亞表面都會因?yàn)楣腆w材料對泵浦光束能量的吸收而產(chǎn)生局部溫度升高并進(jìn)而產(chǎn)生紅外輻射； (2)、固體材料的前表面及前亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對固體材料的前表面設(shè)置的紅外輻射收集裝置收集、并經(jīng)過紅外濾波裝置濾波后入射到紅外探測裝置上探測分析； (3)、固體材料的后表面及后亞表面區(qū)域的紅外輻射由相對固體材料的后表面設(shè)置的紅外輻射收集裝置收集、并經(jīng)過紅外濾波裝置濾波后入射到紅外探測裝置上探測分析。
2.一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:包括有相對固體材料前表面設(shè)置的泵浦光源，相對固體材料前表面設(shè)置的第一紅外輻射收集裝置，依次設(shè)置于第一紅外輻射收集裝置后端的第一紅外濾波裝置和第一紅外探測裝置，相對固體材料后表面設(shè)置的第二紅外輻射收集裝置，依次設(shè)置于第二紅外輻射收集裝置后端的第二紅外濾波裝置和第二紅外探測裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:所述的第一紅外濾波裝置、第二紅外濾波裝置、第一紅外探測裝置和第二紅外探測裝置的選擇滿足第一紅外濾波裝置和第二紅外濾波裝置的透過波段、第一紅外探測裝置和第二紅外探測裝置的探測波段與固體材料的紅外輻射強(qiáng)吸收波段一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:所述的探測固體材料對泵浦激光束是透明的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:所述的探測固體材料對泵浦激光束激發(fā)的紅外輻射在選定波段是吸收較大的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括有設(shè)置于泵浦光源發(fā)射端和固體材料前表面之間的泵浦光束調(diào)制裝置和泵浦光束整形處理裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在干:所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括相對固體材料后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，其特征在于:所述的探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括有用于固定固體材料的樣品裝夾掃描裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種探測固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的方法及裝置，該方法及裝置通過泵浦光束照射樣品來激發(fā)固體材料的紅外輻射，同時利用泵浦光束所激發(fā)的紅外輻射在特定波段對一些固體材料穿透深度非常有限的物理特性來獲得固體材料表面及亞表面對泵浦光束的光學(xué)吸收特性。本發(fā)明可以用于光熱無損探傷、光熱精密檢測、固體材料表面及亞表面吸收特性探測等多個領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/63GK103115900SQ20131002106
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān), 吳令奇, 黃明 申請人:合肥知常光電科技有限公司