專利名稱：一種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及固體材料光學(xué)吸收探測(cè)領(lǐng)域，具體是一種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置。
背景技術(shù)：
固體材料在其加工過程中不可避免地會(huì)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(duì)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(cè)表面及亞表面吸收，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合加工工藝改進(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(cè)方法有很多，包括對(duì)較大吸收樣品的光度測(cè)量方法，對(duì)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(cè)量方法和激光量熱法在多數(shù)情況下都是探測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量和分析不同泵浦光調(diào)制頻率下的光熱信號(hào)來對(duì)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(cè)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上說來目前尚沒有一種良好的方法能夠用來直接探測(cè)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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，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(shí)利用泵浦光束所激發(fā)的紅外輻射在特定波段對(duì)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(duì)泵浦光束的光學(xué)吸收特性。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:一種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，包括有相對(duì)固體材料前表面設(shè)置的泵浦光源，相對(duì)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(cè)裝置，相對(duì)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(cè)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(cè)裝置和第二紅外探測(cè)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(cè)裝置和第二紅外探測(cè)裝置的探測(cè)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(cè)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(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括相對(duì)固體材料后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。所述的探測(cè)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。所述的探測(cè)固體材料對(duì)泵浦激光束是透明的。所述的探測(cè)固體材料對(duì)泵浦激光束激發(fā)的紅外輻射在選定波段是吸收較大的。本實(shí)用新型的工作原理是:經(jīng)過調(diào)制的泵浦光束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(cè)量泵浦光束照射引起的紅外輻射信號(hào)，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(cè)時(shí)，根據(jù)固體材料對(duì)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(duì)泵浦光束的吸收很大，泵浦光束對(duì)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(hào)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(duì)泵浦光束的吸收較小，泵浦光束對(duì)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ο本實(shí)用新型主要針對(duì)第二類固體材料，對(duì)這類材料，泵浦光束在材料表面、亞表面、以及體內(nèi)都會(huì)被吸收并進(jìn)而產(chǎn)生各類光熱信號(hào)，包括光熱輻射信號(hào)，所以本實(shí)用新型可以用來直接探測(cè)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:固體材料為上述第二類固體材料，即其對(duì)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(huì)因?yàn)楣腆w材料對(duì)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(cè)裝置13上。由于上述固體材料對(duì)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(zhǎng)是不同的。假設(shè)上述固體材料對(duì)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(cè)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(cè)裝置9，因而對(duì)第一紅外探測(cè)裝置9檢測(cè)到的光熱輻射信號(hào)沒有貢獻(xiàn)。放在固體材料后表面的探測(cè)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(cè)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(cè)裝置13，因而對(duì)第二紅外探測(cè)裝置13檢測(cè)到的光熱輻射信號(hào)沒有貢獻(xiàn)。綜上所述，圖1所示方法可以探測(cè)樣品表面及深度為ci—Hcm)以內(nèi)的亞表面的吸收信息，其中α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)。α的具體數(shù)值取決于如下因素:(1)樣品的紅外本征特性；(2)紅外探測(cè)裝置9或14的檢測(cè)波長(zhǎng)；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(duì)指定固體材料是固定的，本實(shí)用新型亞表面探測(cè)深度的大小取決于第一紅外探測(cè)裝置9和第二紅外探測(cè)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(duì)紫外到近紅外波段的泵浦光束都是基本透明的，屬于本實(shí)用新型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(huì)產(chǎn)生光熱輻射效應(yīng)。對(duì)這種光熱輻射效應(yīng)的探測(cè)如果選用3-5微米的常見紅外探測(cè)裝置，則其探測(cè)深度(α—1)在毫米到厘米量級(jí)；而如果選擇8-14微米的另一類常見紅外探測(cè)裝置，則其探測(cè)深度(α ―1)為微米量級(jí)。如果在選擇8-14微米紅外探測(cè)裝置的同時(shí)再配上9微米的窄帶紅外濾光片，則其探測(cè)深度(α 將大約為300納米(熔融石英對(duì)9微米波長(zhǎng)的吸收長(zhǎng)度約為300納米)。距離表面300nm到微米量級(jí)的深度是典型的亞表面區(qū)域。綜上所述，本實(shí)用新型利用光熱輻射技術(shù)、并結(jié)合探測(cè)材料的具體特性來合理選擇紅外探測(cè)裝置的光譜波段和紅外濾波裝置，可以對(duì)表面及亞表面光學(xué)吸收特性進(jìn)行直接探測(cè)而不受固體材料內(nèi)部吸收信號(hào)的影響。本實(shí)用新型除了能夠直接探測(cè)表面及亞表面吸收外，還可以同時(shí)探測(cè)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(chǎng)分布不同，這種對(duì)比測(cè)試對(duì)認(rèn)識(shí)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是本實(shí)用新型的原理示意圖，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(cè)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(cè)裝置，CT1為相關(guān)波段紅外輻射在固體材料內(nèi)的穿透深度。圖2是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
中探測(cè)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(cè)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(cè)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)施方式
見圖2,—種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置,包括有相對(duì)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(duì)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(cè)裝置7，相對(duì)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(cè)裝置10，相對(duì)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)需要，泵浦光束整形處理后可以是會(huì)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(cè)裝置7探測(cè)；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(cè)裝置10探測(cè)。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)二維掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)固體材料4前后表面區(qū)域全檢測(cè)。第一紅外探測(cè)裝置7和第二紅外探測(cè)裝置10探測(cè)到的紅外輻射信號(hào)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(hào)放大分析系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種探測(cè)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(duì)固體材料前表面設(shè)置的泵浦光源，相對(duì)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(cè)裝置，相對(duì)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(cè)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)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(cè)裝置和第二紅外探測(cè)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(cè)裝置和第二紅外探測(cè)裝置的探測(cè)波段與固體材料的紅外輻射強(qiáng)吸收波段一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)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(cè)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)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(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置還包括相對(duì)固體材料后表面設(shè)置的泵浦光吸收裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)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(cè)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。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種探測(cè)固體材料表面及亞表面光學(xué)吸收的裝置，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(shí)利用泵浦光束所激發(fā)的紅外輻射在特定波段對(duì)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(duì)泵浦光束的光學(xué)吸收特性。本實(shí)用新型可以用于光熱無損探傷、光熱精密檢測(cè)、固體材料表面及亞表面吸收特性探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/63GK203069515SQ20132003020
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:合肥知常光電科技有限公司