專利名稱：一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光熱檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
利用激光誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)進(jìn)行檢測的基本原理是基于材料在光(以下稱泵浦光)的作用下表面因吸收光能量導(dǎo)致局部溫度升高，從而發(fā)生形變。這種熱形變的空間分布及其隨時間的變化與泵浦光參數(shù)和材料特性緊密相關(guān)。而且，由于這種表面熱形變，從材料表面反射出來的光的傳播特性會發(fā)生變化，產(chǎn)生會聚或發(fā)散效應(yīng)，就像新増加了ー個透鏡。因此，這種表面熱形變效應(yīng)又稱為表面熱透鏡效應(yīng)。利用表面熱形變效應(yīng)進(jìn)行材料特性檢測和分析的最為常見的方法是利用一束振幅經(jīng)過調(diào)制的泵浦光照射被測樣品表面誘導(dǎo)產(chǎn)生熱形變，同時利用另一束探測光經(jīng)過樣品表面熱形變區(qū)域來探測泵浦光引起的表面熱形變。測量時，在反射回來的探測光光路中加入ー個空間濾波器，經(jīng)過空間濾波器后到達(dá)光電探測器的探測光能量會因為表面熱形變對探測光的會聚或發(fā)散效應(yīng)而變化。實際測量中，為提高響應(yīng)，通常需要利用鎖相技木。而對樣品的ニ維成像則是通過對樣品進(jìn)行逐點掃描來獲得。這種ニ維掃描成像方法可以獲得較高的分辨率，在遠(yuǎn)場測量條件下近似受限于泵浦光/探測光的衍射極限，比較容易達(dá)到亞微米量級。但是，這種ニ維掃描成像方法在實際應(yīng)用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信號較弱，對每ー個樣品點都要進(jìn)行一定時間的鎖相積分；另一方面，樣品毎次移動都需要花費一定的移動和等待時間，后者是為了使整個系統(tǒng)從機械震動到局部溫度都能達(dá)到新的平衡。這樣一般情況下獲得一幅5微米橫向分辨率的500微米X 500微米的圖像需要近一小時的時間。如果樣品吸收微弱，則要增加積分時間，成像時間就會更長。這個缺點極大地限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置，解決利用表面熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行ニ維成像過程中需要逐點掃描，從而耗時過長的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，包括以下步驟
(I)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)會聚后照射被測樣品表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測樣品照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面形變；、(2)、將探測光源發(fā)出的探測光分成等光強的、呈等間距陣列分布的探測光束組，探測光束組經(jīng)會聚后照射被測樣品表面，且探測光束組的每一束探測光均與泵浦光束組的每一束泵浦光對應(yīng)在空間上重合；
(3)、由被測樣品出射的探測光束組進(jìn)入光電探測器，通過測量表面熱形變引起的探測光束傳播特性的變化獲得材料表面特性的ニ維圖像。所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過調(diào)制器后，每一束泵浦光束的調(diào)制頻率各不相同，此泵浦光束組再經(jīng)會聚后照射被測樣品表面；所述的用于檢測探測光的光電探測器為光電探測器陣列或一個光電探測器。對經(jīng)過空間濾波器的探測光束的檢測可以有兩種不同的方法，具體描述如下 方法一對經(jīng)過空間濾波器的探測光束組用ー個光電探測器來進(jìn)行檢測。這樣在單
一光電探測器上或得的信號是整個探測光束組信號的疊加，是樣品上同時被測的多個區(qū)域信息的混合。要想利用一個光電探測器實現(xiàn)ニ維成像，需要每一束探測光產(chǎn)生的信號在探測器上是可分辨的。。這可以通過對每一束泵浦光施加不同頻率的調(diào)制，再在探測端，利·用鎖相檢測及頻率掃描技木，就可以把每一束泵浦光造成的表面熱形變信號(像素)分辨出來，從而不通過逐點掃描就可以獲得ニ維表面熱形變信號圖像。方法ニ 對從空間濾波器陣列出射的探測光束陣列用光電探測器陣列來進(jìn)行檢測，即每一束探測光分別對應(yīng)進(jìn)入ー個光電探測器。這樣在每ー個光電探測器上的信號對應(yīng)樣品上每一點，從而無需對樣品進(jìn)行掃描就可以獲得ニ維表面熱形變信號圖像。這種情況下泵浦光的調(diào)制頻率可以是相同的，也可以是不同的。在探測終端，利用并行處理電路來進(jìn)行處理，就可以把每一束泵浦光造成的表面熱形變信號(像素)分辨出來。所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡ー輸入端輸入后和所述的探測光束組經(jīng)分色鏡另ー輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會聚后照射于被測樣品表面。所述的步驟3中照射完被測樣品后的探測光束組反射到探測光聚焦透鏡后再經(jīng)過空間濾波器和探測光濾光片，最后進(jìn)入光電探測器。一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源和探測光源，位于泵浦光源和探測光源后端的樣品臺和順次設(shè)置的空間濾波器、探測光濾光片和光電探測器；從所述的泵浦光源至樣品臺之間順次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測光源至樣品臺之間順次設(shè)置有探測光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、分色鏡和聚焦成像透鏡；所述的四分之一波片設(shè)置于偏振分光鏡ー輸出端的后端；所述的空間濾波器設(shè)置于偏振分光鏡另ー輸出端的后端；所述的光電探測器為光電探測器陣列。所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測器為光電探測器陣列或一個光電探測器。所述的基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置還包括有探測光聚焦透鏡，所述的探測光聚焦透鏡設(shè)置于偏振分光鏡和空間濾波器之間或設(shè)置于空間濾波器的后端。本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對樣品進(jìn)行逐點掃描方法可以有很大提高，另外由于無需進(jìn)行逐點掃描，具體檢測及成像儀器設(shè)計可以避免使用移動部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)ー步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。


本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式見圖1，一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源I和探測光源2，位于泵浦光源I和探測光源2后端的樣品臺3，順次設(shè)置于泵浦光源I至樣品臺3之間的泵浦光衍射分光裝置4、陣列光調(diào)制器5、分色鏡6和聚焦成像透鏡7，順次設(shè)置于探測光源2至樣品臺3之間的探測光衍射分光裝置8、偏振分光鏡9、四分之一波片10、分色鏡6和聚焦成像透鏡7，順次設(shè)置于偏振分色鏡9的后端的探測光聚焦透鏡11、空間濾波器12、探測光濾光片13和光電探測器14 ;其中，四分之一波片10設(shè)置于偏振分色鏡9透射輸出端的后端；探測光聚焦透鏡11設(shè)置于偏振分光鏡9反射輸出端的后端。探測光濾光片13的作用為遮擋雜散光，理論上只有探測光可以通過。 見圖1，一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法包括以下步驟
(1)、將被測樣品15至于樣品臺3上；
(2)、泵浦光源I發(fā)出的泵浦光經(jīng)泵浦光衍射分光裝置4分成等光強的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組再經(jīng)陣列光調(diào)制器5后或得調(diào)制，每一束光的調(diào)制頻率可以視探測終端的具體情況來確定如果使用單一光電調(diào)制器，則每一束光的調(diào)制頻率各不相同；如果使用光電探測器陣列，則每一束光的調(diào)制頻率可以相同；此泵浦光束組再經(jīng)分色鏡6反射，并通過聚焦成像透鏡7后會聚后照射被測樣品15表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測樣品15照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面變形；
(3)、探測光源2發(fā)出的探測光經(jīng)探測光衍射分光裝置8分成等光強的、呈等間距陣列分布的探測光束組，探測光束組依次經(jīng)偏振分光鏡9、四分之一波片10、分色鏡6，然后由聚焦成像透鏡7會聚后照射被測樣品15表面，且探測光束組的每一束探測光均與泵浦光束組的每一束泵浦光在空間上重合；
(4)、由被測樣品15反射出來的探測光束組，再經(jīng)過聚焦成像透鏡7、分色鏡6、四分之一波片10，然后由偏振分光鏡9反射并經(jīng)探測光聚焦透鏡11會聚調(diào)整、經(jīng)過空間濾波器12、探測光濾光片13后進(jìn)入光電探測器14測得探測光二維表面熱形變信號圖像。光電探測器14的輸出信號利用鎖相檢測技術(shù)探測。此時，以與某一被調(diào)制的泵浦光束的調(diào)制頻率相同的交流信號作為鎖相檢測的參考信號，這樣只有該泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的表面熱形變信號能夠被鎖相放大器測出，其它泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號都被濾掉。依次改變參考信號的頻率，就可以獲得對應(yīng)的泵浦光束激發(fā)的表面熱形變信號。再根據(jù)泵浦光束的編號以及對應(yīng)測得的信號，獲得空間分辨的ニ維圖像。實際使用中也可以利用多個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器對每一束探測光進(jìn)行并行測量，以節(jié)省依次改變參考信號進(jìn)行測量的時間，進(jìn)ー步提高成像速度。
權(quán)利要求
1.一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)會聚后照射被測樣品表面，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測樣品照射區(qū)域引起了相應(yīng)的局部表面形變； (2)、將探測光源發(fā)出的探測光分成等光強的、呈等間距陣列分布的探測光束組，探測光束組經(jīng)會聚后照射被測樣品表面，且探測光束組的每一束探測光均與泵浦光束組的每一束泵浦光對應(yīng)在空間上重合； (3)、由被測樣品出射的探測光束組進(jìn)入光電探測器，通過測量表面熱形變引起的探測光束傳播特性的變化獲得材料表面特性的二維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過調(diào)制器后，每一束泵浦光束的調(diào)制頻率各不相同，此泵浦光束組再經(jīng)會聚后照射被測樣品表面；所述的用于檢測探測光的光電探測器為光電探測器陣列或一個光電探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡一輸入端輸入后和所述的探測光束組經(jīng)分色鏡另一輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會聚后照射于被測樣品表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法，其特征在于所述的步驟3中照射完被測樣品后的探測光束組反射到探測光聚焦透鏡后再經(jīng)過空間濾波器和探測光濾光片，最后進(jìn)入光電探測器。
5.一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，包括有泵浦光源和探測光源，位于泵浦光源和探測光源后端的樣品臺和順次設(shè)置的空間濾波器、探測光濾光片和光電探測器；其特征在于從所述的泵浦光源至樣品臺之間順次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測光源至樣品臺之間順次設(shè)置有探測光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、分色鏡和聚焦成像透鏡；所述的四分之一波片設(shè)置于偏振分光鏡一輸出端的后端；所述的空間濾波器設(shè)置于偏振分光鏡另一輸出端的后端；所述的光電探測器為光電探測器陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，其特征在于所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測器為光電探測器陣列或一個光電探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置，其特征在于所述的基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像裝置還包括有探測光聚焦透鏡，所述的探測光聚焦透鏡設(shè)置于偏振分光鏡和空間濾波器之間或設(shè)置于空間濾波器的后端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光陣列誘導(dǎo)表面熱形變效應(yīng)的成像方法及裝置，首先將泵浦光分成等光強的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組照射被測樣品表面引起被測樣品局部表面變形；將探測光也分成等光強的、呈等間距陣列分布的探測光束組，探測光束組照射被測樣品表面，每一束探測光束對應(yīng)與一束泵浦光束重合；由被測樣品出射的探測光束組最后進(jìn)入光電探測器，通過測量表面熱形變引起的探測光束傳播特性的變化，獲得材料表面特性的二維圖像。本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對樣品逐點掃描方法可以有很大提高，另外由于無需進(jìn)行逐點掃描，具體檢測及成像儀器設(shè)計可以避免使用移動部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/17GK102680407SQ201210198138
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者吳周令, 陳堅 申請人:合肥知常光電科技有限公司