[发明专利]光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及固体材料光学吸收缺陷探测领域，具体是一种光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置。

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质量往往比相关材料的本征特性差得很多，从而使得固体材料的表面及亚表面在很多应用中成为限制固体材料本征特性的问题，比如在强激光系统中成为最容易被激光损伤的薄弱环节。所以探测表面及亚表面吸收缺陷，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。

固体材料光学表面缺陷的检测方法有很多，包括高分辨散射测量方法，高分辨荧光测量方法，原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜，以及高分辨光声显微镜，以及各类高分辨光热显微镜等。

高分辨散射测量方法主要用于对由于光学折射率或者面形缺陷引起的不均匀性的检测分析，而难以用于吸收缺陷的检测分析。高分辨荧光测量方法可以较好的探测光学吸收缺陷，但是其探测的缺陷主要属于吸收并且易于发射荧光的缺陷，对于在激光破坏过程中经常起关键作用的很多吸收缺陷并不敏感。光声及各种光热显微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缺陷与表面、亚表面吸收缺陷有所区分，但是这类方法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。而原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜等高分辨手段主要探测的是样品表面形貌及光学折射率的不均匀性，对光学吸收缺陷一般并不敏感。

综上所述，目前尚没有一种良好的高分辨率方法能够用来直接探测固体材料的表面及亚表面吸收缺陷，特别是吸收比较微弱的透明固体材料表面及亚表面的吸收缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置，可对光热辐射透明和不透明的样品进行检测，可在微米到亚微米量级的亚表面区域获得微米到亚微米量级的横向分辨率，其检测分辨率高。

本发明的技术方案为：

光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法，包括有对光热红外辐射透明样品的检测和对光热红外辐射不透明样品的检测，对光热红外辐射透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远大于样品厚度；对光热红外辐射不透明的样品，其被检测的光热红外辐射波段在样品内的吸收深度远小于样品的厚度；

（1）、对光热红外辐射透明样品的检测，如图1所示，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经高倍数、高数值孔径聚焦系统聚焦到被测样品前表面，并进入被测样品内部，在泵浦激光束传输的过程中，在焦深之内的前表面及前亚表面区域，泵浦激光束将激发强的光热红外辐射，此强光热红外辐射通过被测样品后从被测样品后表面出射，而在焦深之外的样品内部区域，泵浦激光束将很快发散，同时其所激发的光热红外辐射将急剧减弱；这是由于激发产生的光热红外辐射信号强度与泵浦激光的功率密度成正比，在焦深之内，功率密度很高，所以光热红外辐射信号很强；在焦深之外，泵浦光束很快发散，光斑变大，功率密度大大降低，所以红外辐射信号急剧减弱；

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析；

（2）、对光热红外辐射不透明样品的检测，如图2所示，包括有以下步骤：

a、泵浦激光束经过高倍数、高数值孔径光学聚焦系统聚焦到被测样品上，焦点位于样品后表面，在泵浦激光束传输的过程中，泵浦激光束在样品内部区域、后亚表面区域和后表面都激发了光热红外辐射，其中，后亚表面的探测深度为α^-1cm，其中α为能够透过红外滤波器的光热红外辐射在被测样品中的平均吸收系数；被测样品探测深度以外的内部区域激发的光热红外辐射因被被测样品本身吸收而几乎全部衰减，而在后亚表面区域和后表面激发的光热红外辐射将透过被测样品后表面；

b、从被测样品后表面出射的光热红外辐射通过红外滤波器，由红外辐射收集装置收集后进入红外探测系统上进行探测分析。