一种光热共路干涉模块及其用于测量晶体缺陷的方法与流程

本发明涉及晶体缺陷测量领域，特别涉及一种应用于晶体缺陷测量仪的光热共路干涉模块。

背景技术：

迄今为止，国内外尚未建立上晶体动态介观缺陷的标准测试方法，市场上也没有商品化的测试仪器。但是，晶体动态介观缺陷对强激光影响的重要性已引起了国内外研究人员的重视，晶体在激光照射下的体吸收问题受到关注。随着高能激光的发展，对晶体材料提出越来越高的要求，而晶体材料由于制造工艺(生长工艺)、原材料杂质的存在，不可避免的存在吸收。

相关研究表面，晶体因为体吸收导致内部局部温度升高，100ppm/cm的吸收系数会导致晶体材料约0.4°的升温，进而导致光学系统的不稳定。大的吸收系数是限制晶体材料在高能激光中应用的主要因素之一。吸收系数的测量传统意义上一般采用分光光度计进行研究，但是其测量精度只到0.1％。能测量ppm量级吸收系数的主要技术有：光热共路干涉法、光热偏转法、表面热透镜法、光热辐射技术、激光量热技术及光声光谱技术等等，其中光热共路干涉法技术相对成熟。利用光热共路干涉法技术测量薄膜吸收特性，己被国内外同行认可和采用，但是测量晶体材料内部吸收的研究相对较少。其它测量方法，尽管有较高的灵敏度，调节却比较困难，而且稳定性较差，难以满足测试手段实用化要求。而动态缺陷观测中很重要的散射性能与应力双折射性能，目前尚未见到研究报道。

晶体动态介观缺陷测量仪，其主要用于激光和非线性光学晶体动态介观缺陷的测量。强激光在先进制造、国家安全等领域发挥着越来越重要的作用，高能、超短、超快和超强激光及应用。

激光和非线性光学晶体材料在制备过程中，由于熔体温度波动、籽晶缺陷延伸、原料杂质等因素，导致晶体内部存在多种缺陷。在中小功率激光器中，由于激光功率密度较小，晶体缺陷的影响不明显；但是在高功率激光器中，这些缺陷会导致晶体局部升温，产生热透镜和应力双折射效应，导致激光光束质量劣化、材料性能退化甚至使激光器无法正常工作。缺陷已经成为晶体在强激光领域应用的一个重要制约瓶颈。

根据缺陷产生时间不同，晶体缺陷也可分为静态缺陷和动态缺陷。静态缺陷是在晶体生长、器件制备过程中产生并固化下来的，不随时间和激光负荷而变化，其观测的方法比较多，技术也相对成熟。动态缺陷则是晶体在使用过程中由原先非常微小的特定静态缺陷在外场作用下演变而产生的，并随着激光负荷的变化而变化。动态缺陷严重影响激光性能，但是外场作用一旦撤离，动态缺陷往往又可能减轻甚至恢复，无法后续在静态条件下观测，目前缺乏有效的动态缺陷缺陷观测手段。

根据缺陷尺度的大小，晶体缺陷可分为宏观(mm级)、介观(μm级)、微观(nm级)，其中宏观缺陷观测方法很多，且技术成熟；微观缺陷尺寸太小，对激光影响较小；介观缺陷由于尺度与激光波长相近，其对激光性能的影响最大，但是缺乏成熟的观测方法。

由于缺乏“动态、介观”晶体缺陷必要的观测手段，研究人员在晶体材料制备过程中一般不针性的进行制备技术改良。近年来来，随着强技术技术的发展，采用常规方法制备的激光和非线性晶体已经无法满足其使用要求，如：lbo(三硼酸锂)的体吸收导致区域光束质量劣化问题，ktp(磷酸钛氧钾)的激光诱导灰迹问题，原生多段钒酸盐复合晶体的复合界面吸收问题，kdp(磷酸二氢钾)的复合生长纹问题。根据的前期研究，上述问题与晶体的动态介观缺陷密切相关。晶体动态介观缺陷的消除，已经成为高能激光发展的重要方向之一。

实现晶体动态介观缺陷的形态、位置和分布密度等参数的精确测量，是消除缺陷的首要前提条件。迄今为止，国内外尚未建立晶体动态介观缺陷的标准测试方法，市场上也没有商品化的测试仪器。科研人员一般是采用非外场负荷的方法，静态测试晶体性能，来大致判断晶体在激光器中实际工作中的光学特性，但是用这些方法得到的结果与激光器实际工作条件下的晶体性能有很大差异，而且都是非定量测试，不同观测者得到的测试结果相互间不具备可比性，这使得晶体材料的动态介观缺陷的研究、测量缺乏统一的标准，大大制约了相关晶体材料的研究和发展。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种光热共路干涉模块，该模块将从吸收、散射、双折射变化三个最重要的参数对介观尺度的晶体动态缺陷进行表征，以获得对介观缺陷动态产生及动态演变的深入认识，指导晶体材料研制。本申请提供的光热共路干涉模块具有高的测量精度、大的测量范围，还具有良好的通用性与扩展性、简便操作方法，能够大批量样品的快速测试要求。

本申请的光热共路干涉模块，其特征在于，所述光热共路干涉模块包括泵浦光源、探测光源；所述泵浦光源与探测光源会聚于待测样品的同一点上。

优选地，所述光热共路干涉模块还包括激光功率计、波前探测器、会聚光路、样品架和测量光路；

所述测样品固定于可移动的样品架上；

所述泵浦光源发出的光线通过待测样品后由照射到所述激光功率计；

所述探测光源发出的光线经过会聚光路，通过待测样品及所述测量光路后，照射到波前探测器；

所述探测光源通过会聚光路与所述泵浦光源聚焦于待测样品的同一点上。

优选地，所述泵浦光源和所述探测光源是激光光源。

优选地，所述泵浦光源的功率范围为5～30w。

优选地，所述探测光源的功率范围为1～10mw。

优选地，所述泵浦光源照射在样品上的光斑大小为5～30μm。

优选地，所述探测光源通过会聚光路聚焦在样品上的焦斑大小为30～80μm。

优选地，所述样品架可以三维移动，最小移动步长为10μm。

优选地，所述光热共路干涉模块是测量晶体缺陷分布的光热共路干涉模块。

根据本申请的又一个方面，提供了上述一个方面的任一种所述光热共路干涉用于测量晶体缺陷的方法，该方法将从吸收、散射、双折射变化三个最重要的参数对介观尺度的动态缺陷进行表征，以获得对介观缺陷动态产生及动态演变的深入认识，指导晶体材料研制。本申请提供的方法除了具有高的测量精度、大的测量范围，还具有良好的通用性与扩展性、简便操作方法，能够大批量样品的快速测试要求。本申请提供的方法，其特征在于，所述泵浦光源加热待测样品上的测试点，透过待测样品的光由激光功率计接收；探测光源通过待测样品上被加热的测试点，后照射到波前探测器，测量波前信息，通过对比计算，获得所述测试点的发热情况以及光吸收情况，即可得到所述测试点上的晶体动态介观缺陷情况。

优选地，通过移动样品架，改变待测样品上的测试点，获得待测样品的动态介观缺陷分布。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的模块和方法，能够测量ppm级的晶体介观尺度的动态缺陷三维分布。

2)本申请所提供的模块和方法，精度高、测量范围大，还具有良好的通用性与扩展性、简便操作方法，能够大批量样品的快速测试要求

附图说明

图1为本申请一种具体实施方式的光热共路干涉模块的结构示意图。

图2为本申请一种具体实施方式的光热共路干涉模块的结构示意图。

部件和附图标记：

11-探测光源，12-泵浦光源，13-会聚光路，14-样品架，15-样品，

16-激光功率计，17-测量光路，18-波前探测器。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特殊说明，本申请所用原料和设备均来自商业购买，未经处理直接使用，所用仪器设备采用厂家推荐的方案和参数。

实施例1

以激光晶体nd：yvo4为例，测试该晶体的晶体动态介观缺陷的三维分布。

本实施例的光热共路干涉模块结构如图1所示，所述光热共路干涉模块1包括探测光源11、泵浦光源12、样品架14、激光功率计16以及波前探测器18，样品15放置于样品架14之上。

具体而言，样品15置于可三维移动的样品架14上，样品架14的最小移动步长为10μm。

泵浦光源12采用功率为30w的1064nm激光器，照射并穿过样品15后射向激光功率计16，由激光功率计16记录光功率信息。泵浦光源发出的激光照射在样品上的光斑大小为5μm。

探测光源11为10mw的氦氖激光器，其发出的激光照射在样品15上的焦斑大小为30μm，通过样品15后射向波前探测器18。探测光源11的光路与泵浦光源12的光路会聚在样品15内的同一个点上，通过移动样品架14，可以使得该点处于样品15内的任意位置。

测量时，泵浦光源12与探测光源11会聚于样品15的同一点上，该点为测量点，泵浦光源12的功率通过光功率计16记录数值，探测光源11穿过该测量点后照射到波前探测器18上并记录数值，得到该测量点的参数。根据记录的激光功率计16数值和波前探测器18的数值，对比计算得出此测量点的发热情况及吸收大小等信息，通过样品的三维移动，即可扫描测量出整块样品15的ppm级的晶体动态介观缺陷三维分布。

实施例2

以激光晶体nd：yvo4为例，测试该晶体的晶体动态介观缺陷的三维分布。

本实施例的光热共路干涉模块结构如图2所示，所述光热共路干涉模块1包括探测光源11、泵浦光源12、会聚光路13、样品架14、激光功率计16、测量光路17以及波前探测器18，样品15放置于样品架14之上。

具体而言，样品15置于可三维移动的样品架14上，样品架14的最小移动步长为10μm。

泵浦光源12采用功率为10w的1064nm激光器，照射并穿过样品15后射向激光功率计16，由激光功率计16记录光功率信息。泵浦光源12发出的激光照射在样品15上的光斑大小为20μm。

探测光源11为1mw的氦氖激光器，其发出的激光经过会聚光路13后，聚焦在样品15上的焦斑大小为50μm，而后通过样品15及测量光路17射向波前探测器18。探测光源11的光路与泵浦光源12的光路汇聚在样品15内的同一个测量点，通过移动样品架14，可以使得该测量点处于样品15内的任意位置。

测量时，泵浦光源12与探测光源11会聚于同一点，该点为测量点，泵浦光源12的功率通过光功率计16记录数值，探测光源11穿过该测量点后通过测量光路17后照射到波前探测器18上并记录数值，得到该测量点的参数。根据记录的激光功率计16数值和波前探测器18的数值，对比计算得出此点的发热情况及吸收大小等信息，通过样品的三维移动，即可扫描测量出整块样品15的ppm级的晶体动态介观缺陷三维分布。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。