[发明专利]一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于利用放电测试材料的领域，具体了提供一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法。

背景技术

辉光放电逐层溅射技术可以测定样品各成分随深度定量变化的规律，在涂镀层、超硬涂层等样品的快速深度分布分析领域有着广泛的应用。在辉光光谱深度分析中，溅射深度的测量值是非常重要的分析信息。采用传统辉光深度分析方法存在以下不足：由于主要通过对材料各元素的密度粗略估算来计算溅射深度，因而导致成分沿深度方向分布等重要参数的测量存在较大的误差。

采用激光在线实时深度测量的新技术将为辉光定量分析方法提供更为准确快速的深度分析信息，可以在线得到样品溅射深度的真实测量值。目前，国内外对激光在线实时深度测量方法的研究一直处于探索阶段，仍存在以下不足：

前人的研究中由于光源构造及测量方法等局限，没有实现元素光谱信号与溅射深度信号的同步采集。另外，前人采用建立理论模型的方式排除溅射过程中光源位移对深度测量产生的影响，而单纯的理论推导难以涵盖所有真实参数的变化，最终得到的溅射深度实时测量曲线存在偏差。

现有技术中激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

但是，在辉光放电材料分析装置中采用激光位移传感器进行深度测量的技术方案，现有技术中还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法，实现了辉光放电光谱信号与溅射深度信号的同步测量，能够在辉光放电光谱仪进行金属样品分析的同时实时准确测得样品的溅射深度测量曲线和准确的溅射深度测量结果，为传统辉光深度分析方法中对深度估算不准确的问题提供有效解决方案。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置，它由辉光放电光谱信号测量单元和双激光器溅射深度测量单元组成，包括辉光放电光源(GDS)、第一激光位移传感器A、第二激光位移传感器B以及光纤d，能够实现辉光放电光谱信号与溅射深度信号的同步测量；

其中辉光放电光源(GDS)包括第一石英观测窗a以及第二石英观测窗b；

第一激光位移传感器A及第二激光位移传感器B处于辉光放电光源c的同一侧，且第一激光位移传感器A位于第一石英观测窗a的后方，正对样品e溅射坑，实时测量样品溅射深度；第二激光器B位于第二石英观测窗b的后方，用来测量样品e未溅射表面的位移。

所述辉光放电光源(GDS)，是符合激光三角测量的Grimm辉光放电光源。

所述第一石英观测窗a用来观测辉光光谱信号，且激光测量束通过所述观测窗a测量样品e溅射坑表面。

所述第二石英观测窗b处于阳极筒f和阴极绝缘盘h之间，且激光测量束通过所述观测窗b测量样品e未溅射表面。

所述第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B是一种激光三角位移传感器，其包括可激发激光测量束的激光器i以及CCD检测器j。

一种使用本发明所述的装置进行在线实时测量的方法，包括如下步骤：1)激发及形成溅射坑，2)信号采集，3)信号解析；

(1)所述激发及形成溅射坑步骤中，针对不同金属材料样品选择溅射条件，辉光放电光源(GDS)激发辉光c，在金属材料样品e表面形成溅射坑，同时第一激光位移传感器A通过第一石英观测窗a激发激光测量束，及第二激光位移传感器B通过第二石英观测窗b激发激光测量束；

(2)所述信号采集步骤中，第一激光位移传感器A通过第一石英观测窗a实时采集样品e溅射坑的激光测量信号，第二激光位移传感器B通过第二石英观测窗b采集样品e未溅射表面的激光测量信号，同时金属材料样品的辉光放电光谱信号也通过第一观测窗a被光纤d接收并且实时传输到辉光放电光谱仪；

(3)所述信号解析步骤中，对上述步骤(2)中的第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B采集的信号进行解析得到溅射坑以及未溅射表面的测量数据，以系统时间为单位叠加溅射坑以及未溅射表面的测量数据，得到所述金属材料样品溅射深度的在线实时测量曲线。

第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B在光源的同一侧同步测量样品e溅射坑深度和样品e表面未溅射面的位移，用于消除溅射过程中光源系统的位移对深度实时测量的影响。