[发明专利]透明材料无损检测的光散射层析术及其装置

说明书

本发明用于材料科学和光电子学领域的透明材料的无损检测。

目前，对透明的无机非金属材料，如钕(Nd)玻璃、人工晶体、半导体硅和砷化镓(在近红外区透明)等的微观缺陷的检测与观察，广泛采用X射线形貌分析术、腐蚀坑法和电子显微分析术。它们对样品的厚度、制备及材料的种类各有不同的严格要求。比如，象低温相偏硼酸钡(β-BB0)这一类激光倍频晶体，因含有能强烈吸收X射线的重元素钡(Ba)，所以，在作X射线形貌观察时，样品最多只能是百微米量级的厚度，制样困难而麻烦。电子显微分析也碰到同样的困难。于是，对材料内部微小缺陷的空间三维分布的直接无损观察至今还是很难的。

根据光在介质中的传播的规律，光束在均匀透明的介质中传播的时候，光线只在折射方向上继续传播下去，而在其它跟折射光线不同的一切方向上是没有光的，也就是说，透明的均匀介质是不散射光的，光要朝各方向散射是不可能的。但是，如果传光的介质中存在着局部的密度起伏或者是各向异性起伏时，使会引起光的散射。例如，令一束光通过滴有几滴牛奶的蒸馏水玻璃皿时，我们便能从皿的侧旁清楚地看到散射光。这个现象就是本领域普通技术人员通常所知道的“Tyndall现象”。本发明提出了用高亮度的激光细束代替X射线束和电子束，利用Tyndall现象，为透明材料的无损检测提供一种更高精度，更为方便而适用的观察方法和检测技术。

本发明的结构原理示意图如附图所示。用高亮度的激光束，如调Q-YAG激光束作光源(1)，经短焦距透镜(2)聚成10μm左右的细光束入射到样品(3)时，若样品(3)是完整无缺的，则根据材料对平面单色入射波的辐射方程，在与入射光束成90°的方向上设置的显微系统(5)与摄影装置(6)所拍摄的照片上是看不到散射光的[样品(3)相对入射光束可进行X，Y，Z和夹角θ的四维调节与自动扫描，如同医学上的CT那样，但却比CT简单而适用]。当样品(3)的内部存在缺陷，如空孔、杂质聚集、条纹、位错及包裹体、取向偏差等时，那么，在入射光束由完整区(无缺陷区)扫过缺陷区的过程中，我们就能收集到来自缺陷的散射光并在照片上反映出来。这散射光是由于缺陷，使媒质在空间上发生密度涨落和点阵畸变所引起的。通过对散射光的强度、偏振态、位相和频率改变量等的分析。我们就能得到与缺陷相关的信息，并可逐层扫描，得到缺陷的三维分布形貌图。

透明材料中的微小缺陷，如晶体中的位错之类，除暴露在表面以外，对体内的缺陷用普通光学显微镜是无法观察到的，但是利用Tyndall现象，用90°光散射扫描层析的方法(简称LST法)，我们就可以确切地知道远远超过普通光学显微镜分辨极限(0.25μm)的微小缺陷的存在。本发明具有在此之前的微观和亚微观缺陷的观察方法所无法兼得的三大优点：对被测样品是无损的；被测样品的尺寸不受限制且制样非常简单；能提供缺陷的三维分布的直接形貌图。

现结合附图对本发明的特点作进一步说明：采用高亮度的激光束做光源(1)，其亮度可方便地连续均匀调节，以适应观察不同样品、不同缺陷的需要，能看到优质晶体中的位错缺陷。样品台(4)、显微系统(5)和摄影装置(6)能相对于光源(1)发出的激光束进行高精度的X或Y自动扫描，扫描速度连续可调，扫描范围0-25mm，步进精度为每步2.1μm，这是至今的显微系统所不具备的功能，是层析术的关键。样品台(4)能单独相对于光源(1)发出的激光束、显微系统(5)和摄影装置(6)进行X、Y、Z、θ四维高精度调节，以减少样品(3)对光时调整的时间。显微系统(5)和摄影装置(6)能相对于光源(1)发出的激光束进行高精度的X、Y、Z三维调节。显微系统(5)的机械筒长度可根据不同的摄影镜头进行调节，以得到最佳的成像质量。附图中(7)为自动扫描驱动机构，(8)为X、Y、Z精密移动台。

我们用本发明已成功地对优质低温相偏硼酸钡晶体进行了位错观察，得到了用其他方法无法得到的衬度极好的位错形貌图，并且，也对优质铝酸钇(YAP)晶锭作了微小双晶和包裹体分布的观察，得到了很好的结果。