专利名称：一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体材料光学吸收探测领域，具体是ー种探測固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置。
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污染、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吸收往往可以数倍于相关材料的体内吸收，从而使得相关元件的表面及亚表面在很多应用中成为限制元件性能的瓶颈，比如在强激光系统中成为最容易被激光损伤的薄弱环节。探測表面及亚表面吸收，并在此基础上结合加工エ艺改进材料的表面及亚表面特性，有着非常重要的意义。固体材料光学吸收的检测方法有很多，包括对较大吸收样品的光度測量方法，对较微弱吸收样品的激光量热法、光声方法、以及各类光热方法等。光度測量方法和激光量热法在多数情况下都是探测样品表面、亚表面、以及样品体内吸收的综合效应，难以用来专门探測表面及亚表面吸收。光声及各种光热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与表面、亚表面吸收有所处分。例如，利用蜃景效应的光热偏转方法就可以通过測量和分析不同泵浦光调制频率下的光热信号来对体内吸收与表面、亚表面吸收进行处分；但是其在深度方向的分辨能力取决于被测样品的光热特性、具体的实验參数、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。总体上说来目前尚没有ー种良好的方法能够用来直接探測固体材料的表面及亚表面吸收，特别是吸收比较微弱的透明固体 材料的表面及亚表面吸收。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置，通过泵浦光束照射固体材料来激发固体材料的红外辐射，同时利用泵浦光束所激发的红外辐射在特定波段对ー些固体材料穿透深度非常有限的物理特性来获得固体材料表面及亚表面对泵浦光束的光学吸收特性。本发明的技术方案为:
一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法，包括以下步骤:
(1)、用泵浦光束照射固体材料的前表面，此泵浦光束入射到固体材料内部并从后表面出射，固体材料的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为固体材料对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射；
(2)、固体材料的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的前表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探測装置上探測分析；
(3)、固体材料的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的后表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探測装置上探測分析。—种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，包括有相对固体材料前表面设置的泵浦光源，相对固体材料前表面设置的第一红外辐射收集装置，依次设置于第一红外辐射收集装置后端的第一红外滤波装置和第一红外探測装置，相对固体材料后表面设置的第二红外辐射收集装置，依次设置于第二红外辐射收集装置后端的第二红外滤波装置和第ニ红外探測装置。所述的第一红外滤波装置、第二红外滤波装置、第一红外探测装置和第二红外探测装置的选择满足第一红外滤波装置和第二红外滤波装置的透过波段、第一红外探測装置和第二红外探測装置的探測波段与固体材料的红外辐射强吸收波段一致。所述的探測固体材料对泵浦激光束是透明的。所述的探測固体材料对泵浦激光束激发的红外辐射在选定波段是吸收较大的。所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有设置于泵浦光源发射端和固体材料前表面之间的泵浦光束调制装置和泵浦光束整形处理装置。所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括相对固体材料后表面设置的泵浦光吸收装置。所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有用于固定固体材料的样品装夹扫描装置。本发明的工作原理是:经过调制的泵浦光束入射到固体材料上，固体材料吸收泵浦光束的能量引起局部温度变化，从而引起固体材料红外热辐射的变化。泵浦光束照射引起的红外热辐射与样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性有关，通过测量泵浦光束照射引起的红外辐射信号，可以获得样品的吸收系数、热扩散系数等物质特性。光热辐射技术用于固体材料特性检测时，根据固体材料对泵浦光束吸收特性的不同，固体材料可以大致分为两大类:第一类固体材料对泵浦光束的吸收很大，泵浦光束对固体材料的穿透深度很小，如各类金属材料，这类材料的光热辐射信号主要来源于样品表面及亚表面(泵浦光束穿透深度以内)的吸收；第二类固体材料对泵浦光束的吸收较小，泵浦光束对固体材料的穿透深度较大，如很多半导体材料以及各类微弱吸收的光学透明材料
坐寸o本发明主要针对第二类固体材料，对这类材料，泵浦光束在材料表面、亚表面、以及体内都会被吸收并进而产生各类光热信号，包括光热辐射信号，所以本发明可以用来直接探測第二类固体材料的表面及亚表面吸收，其基本原理如图1所示:固体材料为上述第ニ类固体材料，即其对泵浦光束的吸收较小，因此泵浦光束I从前表面入射到固体材料后可以有很深的穿透深度，甚至直接透射到样品的后表面。在这种条件下固体材料前表面及前亚表面区域2，内部区域3，后表面及后亚表面4都会因为固体材料对泵浦光束I能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射，简称光热辐射；在固体材料前表面及前亚表面区域的光热辐射由第一红外辐射收集装置7收集、并经过第一红外滤波装置滤波8后入射到第一红外探測装置9上，而泵浦光束I在固体材料后表面方向光路完全对称，光热辐射由固体材料后表面及后亚表面区域的光热辐射由第二红外辐射收集装置11收集、并经过第二红外滤波装置12滤波后入射到第二红外探测装置13上。由于上述固体材料对泵浦光束I激发的红外辐射有一定的吸收，并且这种吸收在不同红外波长是不同的。假设上述固体材料对泵浦光束I激发的、能够透过红外滤波装置8的波段的吸收系数为a (cnT1)，则该波段红外辐射在样品内的穿透深度为a-1 (cm)。所以，只有在固体材料前表面和距离前表面a—1 (cm)以内的亚表面区域2的红外辐射6可以穿越固体材料前表面并最终入射到第一红外探測装置9上，而在固体材料内部3的红外辐射5将被固体材料自身吸收，不能到达第一红外探測装置9，因而对第一红外探測装置9检测到的光热辐射信号没有贡献。放在固体材料后表面的探測光路与前表面的类似，只有在固体材料后表面和距离后表面a—Hcm)以内的亚表面区域4的红外辐射10可以穿越固体材料后表面并最终入射到第二红外探測装置13上，而在样品内部3的红外辐射5将被固体材料自身吸收，不能到达第二红外探測装置13，因而对第二红外探測装置13检测到的光热辐射信号没有贡献。综上所述，图1所示方法可以探测样品表面及深度为ci—Hcm)以内的亚表面的吸收信息，其中a为能够透过红外滤波装置的那部分光热红外辐射在样品中的平均吸收系数。a的具体数值取决于如下因素:(I)样品的红外本征特性；(2)红外探測装置9或14的检测波长；以及(3)红外滤波装置8或13的透过波段。由于固体材料红外本征特性对指定固体材料是固定的，本发明亚表面探測深度的大小取决于第一红外探測装置9和第二红外探測装置13的选择，以及第一红外滤波装置8和第二红外滤波装置12的设计。以常见的光学材料熔融石英为例。熔融石英对紫外到近红外波段的泵浦光束都是基本透明的，属于本发明所述的典型的第二类固体材料。熔融石英在泵浦光激发下会产生光热辐射效应。对这种光热辐射效应的探測如果选用3-5微米的常见红外探測装置，则其探測深度(a ―1)在毫米到厘米量级；而如果选择8-14微米的另ー类常见红外探測装置，则其探測深度(a ―1)为微米量级。如果在选择8-14微米红外探測装置的同时再配上9微米的窄带红外滤光片，则其探測深度(a 将大约为300纳米(熔融石英对9微米波长的吸收长度约为300纳米)。距离表面300nm到微米量级的深度是典型的亚表面区域。综上所述，本发明利用光热辐射技术、并结合探測材料的具体特性来合理选择红外探測装置的光谱波段和红外滤波装置，可以对表面及亚表面光学吸收特性进行直接探測而不受固体材料内部吸收信号的影响。本发明除了能够直接探測表面及亚表面吸收外，还可以同时探测前后表面及亚表面区域的吸收。由于在同样的入射激光辐照下，样品前后表面及相关亚表面区域的光场分布不同，这种对比测试对认识激光破坏、理和损耗机理、以及吸收缺陷的分析都有比较重要的意义。
图1是本发明的原理示意图，其中，I为泵浦光束，2为固体材料前亚表面区域，3为固体材料内部区域，4为固体材料后亚表面区域，5为固体材料内部红外辐射，6为前表面及前亚表面红外辐射，7为第一红外辐射收集装置，8为第一红外滤波装置，9为第一红外探测装置，10为后表面及后亚表面红外辐射，11为第二红外辐射收集装置，12为第二红外滤波装置，13为第二红外探測装置，a-1为相关波段红外辐射在固体材料内的穿透深度。图2是本发明的具体实施方式
中探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置的结构示意图，其中，I为泵浦光源，2为泵浦光束调制装置，3为泵浦光束整形处理装置，4为固体材料，5为第一红外辐射收集装置，6为第一红外滤波装置，7为第一红外探測装置，8为第二红外收集装置，9为第二红外滤波装置，10为第二红外探測装置，11为样品装夹扫描装置，12为泵浦光吸收装置。
具体实施例方式见图2，一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，包括有相对固体材料前表面设置的泵浦光源1，设置于泵浦光源I发射端和固体材料4前表面之间的泵浦光束调制装置2和泵浦光束整形处理装置3，相对固体材料4前表面设置的第一红外辐射收集装置5，依次设置于第一红外辐射收集装置5后端的第一红外滤波装置6和第一红外探測装置7，相对固体材料5后表面设置的第二红外辐射收集装置8，依次设置于第二红外辐射收集装置8后端的第二红外滤波装置9和第二红外探測装置10，相对固体材料5后表面设置的泵浦光吸收装置12，用于固定固体材料5的样品装夹扫描装置11。一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置的工作原理:
由泵浦光源I发出的泵浦光束依次经过泵浦光束调制装置2、泵浦光束整形处理装置3，调制后的泵浦光束入射到固体材料4上，并经过固体材料4后由泵浦光吸收装置12吸收。根据具体的检测实验需要，泵浦光束整形处理后可以是会聚到样品表面的聚焦光，也可以是平行光。泵浦光在固体材料4前表面及前亚表面区域产生的红外辐射由第一红外辐射收集装置5收集、经过第一红外滤波装置6后由第一红外探測装置7探測；固体材料4后表面及后亚表面区域产生的红外辐射经由第二红外收集装置8收集、经过第二红外滤波装置9后由第二红外探測装置10探測。固体材料4固定在样品装夹扫描装置11上，可以通过逐点ニ维扫描实现对固体材料4前后表面区域全检测。第一红外探測装置7和第二红外探測装置10探測到的红外辐射信号在泵浦光为连续调制的条件下可以由锁相放大器进行分析；如果泵浦光为脉冲光源则可以利用相应脉冲信号放大分析系统。
权利要求
1.一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)、用泵浦光束照射固体材料的前表面，此泵浦光束入射到固体材料内部并从后表面出射，固体材料的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为固体材料对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射； (2)、固体材料的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的前表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探測装置上探測分析； (3)、固体材料的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对固体材料的后表面设置的红外辐射收集装置收集、并经过红外滤波装置滤波后入射到红外探測装置上探測分析。
2.一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:包括有相对固体材料前表面设置的泵浦光源，相对固体材料前表面设置的第一红外辐射收集装置，依次设置于第一红外辐射收集装置后端的第一红外滤波装置和第一红外探測装置，相对固体材料后表面设置的第二红外辐射收集装置，依次设置于第二红外辐射收集装置后端的第二红外滤波装置和第二红外探測装置。
3.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:所述的第一红外滤波装置、第二红外滤波装置、第一红外探測装置和第二红外探測装置的选择满足第一红外滤波装置和第二红外滤波装置的透过波段、第一红外探測装置和第二红外探測装置的探測波段与固体材料的红外辐射强吸收波段一致。
4.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:所述的探測固体材料对泵浦激光束是透明的。
5.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:所述的探測固体材料对泵浦激光束激发的红外辐射在选定波段是吸收较大的。
6.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有设置于泵浦光源发射端和固体材料前表面之间的泵浦光束调制装置和泵浦光束整形处理装置。
7.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在干:所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括相对固体材料后表面设置的泵浦光吸收装置。
8.根据权利要求2所述的ー种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的装置，其特征在于:所述的探測固体材料表面及亚表面光学吸收的装置还包括有用于固定固体材料的样品装夹扫描装置。
全文摘要
本发明公开了一种探测固体材料表面及亚表面光学吸收的方法及装置，该方法及装置通过泵浦光束照射样品来激发固体材料的红外辐射，同时利用泵浦光束所激发的红外辐射在特定波段对一些固体材料穿透深度非常有限的物理特性来获得固体材料表面及亚表面对泵浦光束的光学吸收特性。本发明可以用于光热无损探伤、光热精密检测、固体材料表面及亚表面吸收特性探测等多个领域。
文档编号G01N21/63GK103115900SQ20131002106
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者吴周令, 陈坚, 吴令奇, 黄明 申请人:合肥知常光电科技有限公司