[发明专利]一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及固体材料光学吸收探测领域，具体是一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置。

背景技术

固体材料在其加工过程中不可避免地会引入表面污染、表面缺陷以及亚表面缺陷，从而影响材料在其表面及亚表面的光学吸收特性。对很多光学材料而言，例如常用于强激光系统中的熔融石英玻璃和KDP晶体等，由于在材料切割、研磨、抛光等过程中引入的污染和缺陷，其表面及亚表面的光学吸收往往可以数倍于相关材料的体内吸收，从而使得相关元件的表面及亚表面在很多应用中成为限制元件性能的瓶颈，比如在强激光系统中成为最容易被激光损伤的薄弱环节。探测表面及亚表面吸收，并在此基础上结合加工工艺改进材料的表面及亚表面特性，有着非常重要的意义。

固体材料光学吸收的检测方法有很多，包括对较大吸收样品的光度测量方法，对较微弱吸收样品的激光量热法、光声方法、以及各类光热方法等。光度测量方法和激光量热法在多数情况下都是探测样品表面、亚表面、以及样品体内吸收的综合效应，难以用来专门探测表面及亚表面吸收。光声及各种光热方法通过合理的实验设计和模型计算，在一定程度上可以对体内吸收与表面、亚表面吸收有所处分。例如，利用蜃景效应的光热偏转方法就可以通过测量和分析不同泵浦光调制频率下的光热信号来对体内吸收与表面、亚表面吸收进行处分；但是其在深度方向的分辨能力取决于被测样品的光热特性、具体的实验参数、以及用来进行计算的模型的准确性。因此虽然理论上可行，实际应用中难度其实很大。总体上说来目前尚没有一种良好的方法能够用来直接探测固体材料的表面及亚表面吸收，特别是吸收比较微弱的透明固体材料的表面及亚表面吸收。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置，通过泵浦光束照射固体材料来激发固体材料的红外辐射，同时利用泵浦光束所激发的红外辐射在特定波段对一些固体材料穿透深度非常有限的物理特性来获得固体材料表面及亚表面对泵浦光束的光学吸收特性。

本发明的技术方案为：

一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法，包括以下步骤：

（1）、用泵浦光束照射固体材料的前表面，此泵浦光束入射到固体材料内部并从后表面出射，固体材料的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为固体材料对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射；

（2）、固体材料的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的前表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探测装置上探测分析；

（3）、固体材料的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的后表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探测装置上探测分析。

一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，包括有相对固体材料前表面设置的泵浦光源，相对固体材料前表面设置的第一红外辐射收集装置，依次设置于第一红外辐射收集装置后端的第一红外滤波装置和第一红外探测装置，相对固体材料后表面设置的第二红外辐射收集装置，依次设置于第二红外辐射收集装置后端的第二红外滤波装置和第二红外探测装置。

所述的第一红外滤波装置、第二红外滤波装置、第一红外探测装置和第二红外探测装置的选择满足第一红外滤波装置和第二红外滤波装置的透过波段、第一红外探测装置和第二红外探测装置的探测波段与固体材料的红外辐射强吸收波段一致。

所述的探测固体材料对泵浦激光束是透明的。

所述的探测固体材料对泵浦激光束激发的红外辐射在选定波段是吸收较大的。

所述的探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有设置于泵浦光源发射端和固体材料前表面之间的泵浦光束调制装置和泵浦光束整形处理装置。

所述的探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括相对固体材料后表面设置的泵浦光吸收装置。

所述的探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有用于固定固体材料的样品装夹扫描装置。

本发明的工作原理是：经过调制的泵浦光束入射到固体材料上，固体材料吸收泵浦光束的能量引起局部温度变化，从而引起固体材料红外热辐射的变化。泵浦光束照射引起的红外热辐射与样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性有关，通过测量泵浦光束照射引起的红外辐射信号，可以获得样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性。