[发明专利]基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置及方法

说明书

本发明属于材料形貌表征的技术领域，具体涉及一种可以对固体材料进行三维成像的装置和方法，装置包括光源系统、分光元件、二维平移台、第一反射镜、光谱仪和信号处理系统，光源系统包括飞秒光纤激光器，飞秒光纤激光器的重复频率和偏置频率被锁定至原子钟上形成光学频率梳；光源系统发出的光束经分光元件分为两束后，一束作为参考光束垂直入射至第一反射镜；一束作为探测光束入射至放置在二维平台上的待测样品表面；参考光束和探测光束分别被反射后返回分光元件，在分光元件处重合并发生干涉，干涉信号进入光谱仪后，经信号处理系统计算得到待测样品的三维形貌。本发明实现待测样品的三维形貌成像，其测量精度高，可以广泛应用于材料领域。

技术领域

本发明属于材料形貌表征的技术领域，具体涉及一种可以对固体材料进行三维成像的装置和方法。

背景技术

光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡包络的时间宽度满足傅里叶变换关系，超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化的称之光学波段的频率梳，简称“光梳”。光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，同时也逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步、卫星导航以及绝对距离精密测量等领域中。

为了能够进行高精度高灵敏度的材料形貌表征，科学家们提出多种多样的三维成像方法，其在科学研究和实际行业的各个领域都至关重要。摄影测量是最早提出来的材料表征方法，该方法可以在大范围中捕捉被测样品，并对样品照片进行适当的处理，然而为了实现样品的三维成像，需要两个或更多摄像相机，这不仅使测量系统复杂化，并且测量精度相对较低。坐标测量机同样可用于在连续扫描样品后对目标样品表面进行高精度成像，但是，坐标测量机的探针需要在样品表面移动，这可能会破坏样本。

为了克服目前三维成像存在的技术难题，需要提出新的光学成像方法，以实现固体材料表面的精确三维成像，满足工业应用的实际需求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高灵敏度，操作简单的基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，包括光源系统、分光元件、二维平移台、第一反射镜、光谱仪和信号处理系统，所述光源系统包括飞秒光纤激光器，所述飞秒光纤激光器的重复频率和偏置频率被锁定至原子钟上形成光学频率梳；所述光源系统发出的光束经分光元件分为两束后，一束作为参考光束垂直入射至第一反射镜；一束作为探测光束入射至放置在二维平台上的待测样品表面；参考光束和探测光束分别被反射后返回分光元件，在分光元件处重合并发生干涉，干涉信号进入光谱仪后，经所述信号处理系统计算得到待测样品的三维形貌。

所述信号处理系统包括信号处理软件和显示屏，信号处理软件用于对从光谱仪获得的干涉信号进行快速傅里叶变换后，得到傅里叶变换光谱图，并计算干涉信号的展开相位的斜率，并根据展开相位的斜率计算得到参考光束与测量光束的光程差，还用于根据不同坐标处的光程差生成待测样品的三维形貌后传输到显示屏显示。

所述光源系统还包括掺饵光纤放大器，倍频模块，f-2f干涉仪，电路锁定单元和GPS模块；所述飞秒光纤激光器出射的飞秒激光经过掺饵光纤放大器放大后一部分经过倍频模块进行激光倍频后输出，一部分进入f-2f干涉仪用来检测偏置频率，所述电路锁定单元用于进行光学频率梳的重复频率和偏置频率的锁定，所述GPS模块用于连接原子钟给电路锁定单元提供锁定参考频率。