基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置及方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

所述飞秒光纤激光器出射的飞秒激光波长为1560nm，脉冲的重复频率为250mhz，精度为10^-14，所述电路锁定单元通过改变飞秒光纤激光器上的压电陶瓷电压来改变腔长，进而锁定激光脉冲的重复频率；f-2f干涉仪用于探测光学频率梳的偏置频率。

所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，还包括第二反射镜、第三反射镜和透镜，所述第二反射镜设置在光学频率梳光源的输出端与分光元件之间，所述第三反射镜和透镜设置在分光元件与光谱仪之间。

所述光谱仪的波长范围为600-1700nm，波长精度为±0.01nm，波长分辨率为0.02nm。

本发明还提供了一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的方法，采用权利要求所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，包括以下步骤：

s1、干涉信号获得：通过光谱仪采集参考光束和探测光束在分光元件处形成的干涉条纹；

s2、傅里叶变换分析：将获得的干涉信号进行快速傅里叶变换分析，获得傅里叶变换光谱图，然后计算获得干涉信号的展开相位的斜率k；

s3、计算光程差：计算公式为：

；

其中，c=3×10⁸m/s，表示光速，n表示空气折射率，d表示探测光束与参考光束的光程差；

s4、形貌表征：在两轴平面中以固定步距移动待测样品进行扫描，重复s1-s3的步骤，在二维方向（x-y）上获得待测样品不同位置处参考光束与测量光束的光程差d，然后在三维坐标系里（x-y-d）绘制光程差的变化，以获得待测样品不同位置的表面分布情况，从而实现待测样品的三维成像。

所述步距为0.5μm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置及方法，通过对样品进行二维扫描和光程差测量，可以进行待测样品的三维成像，其具有普适性高的优点，可以实现对任意大小、任意形状、任意厚度的待测样品进行形貌表征，测量精度高，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线成像；这些结果证明，本发明将成为三维成像的有力工具。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置示意图；

图2为获得的干涉光谱图和展开相位与斜率的关系图；

图3为某一待测样品的实物图与三维成像图；

其中，1为飞秒光纤激光器，2为掺铒光纤放大器，3为倍频模块，4为f-2f干涉仪，5为电路锁定单元，6为gps参考频率，7为第二反射镜，8为分光元件，9为待测样品，10为二维平移台，11为第一反射镜，12为第三反射镜，13为透镜，14为光谱仪，15为信号处理软件，16为显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，包括光源系统i、干涉测量系统ⅱ和信号处理系统ⅲ。其中，所述光源系统i包括飞秒光纤激光器1，掺饵光纤放大器2，倍频模块3，f-2f干涉仪4，电路锁定单元5，gps参考频率6。所述干涉测量系统ⅱ包括第二反射镜7，分光元件8，待测样品9，二维平移台10，第一反射镜11，第三反射镜12，第一透镜13，光谱仪14。所述信号处理系统ⅲ包括信号处理软件15，显示屏16。

所述飞秒光纤激光器1发出的光首先经过掺饵光纤放大器2进行功率放大，经过放大的光分两部分，分别进入倍频模块3和f-2f干涉仪4，分别用来进行激光倍频处理和检测偏置频率f0，脉冲光经过f-2f干涉仪4后通过电路锁定单元5进行光学频率梳的重复频率frep和偏置频率f0的锁定，最后再通过gps模块将光学频率梳锁定至gps模块6连接的原子钟上，使得飞秒光纤激光器1输出的脉冲激光的重复频率frep和偏置频率f0均锁定在原子钟上。也就是说，本实施例的光源系统i通过输出激光的重复频率和偏置频率进行锁定，实现了光学频率梳的锁定，从而获得一个具有高频率稳定性的光学频率梳，其稳定性5×10^-12/s，因此，本发明可以提高材料表征的测量精度。

具体地，本实施例中，飞秒光纤激光器出射的飞秒激光波长是1560nm，脉冲的重复频率为250mhz，精度可达10^-14，其可以通过改变压电陶瓷来改变腔长，进而改变脉冲的重复频率frep；本实施例中，重复频率锁定时，通过对激光进行光外差探测，将相邻梳齿间的拍频（即为光脉冲的重复频率）与标准频率（来源于gps模块的微波标准频率）比较获得误差信号，将误差信号加载到激光腔镜上的压电陶瓷pzt上，进而实现锁模激光重复频率的锁定。掺铒光纤放大器是高功率的光纤放大器，输出光谱的带宽和形状可由放大器输入端的偏振控制器来调节，调节带宽和形状的目的是确保掺饵光纤放大器输出的激光中心波长在1560nm附近，以确保经过倍频后的激光频率的中心波长为780nm，有利于光与材料的相互作用。

具体地，本实施例中，f-2f干涉仪用来探测光学频率梳的偏置频率f0；由于飞秒光纤激光器腔内介质色散，将导致光子群速vg与相速vp的不同，导致从腔内输出的相邻脉冲间存在相位差，这就导致了光梳载波包络偏置频率的存在：

；（1）

光学频率梳的重复频率为：

；（2）

重复频率frep表征光子在飞秒光纤激光器腔内往返一周的频率，式中tp为光脉冲的重复周期，l为腔长，vg为脉冲光场的群速度。由于腔内介质色散将导致光子群速vg与相速vp的不同，导致从腔内输出的相邻脉冲间存在相位差，式中ω0为激光脉冲的中心频率。如果考虑相邻光脉冲载波与包络之间的相位差，光学频率梳的频率可以表示为。其中，偏置频率。也就是说，光学频率梳的重复频率是由激光器的腔长决定的，偏置频率是由相邻光脉冲载波和包络之前的相位差引起的，因此，可以对通过误差信号反馈至飞秒光纤激光器的腔镜上的压电陶瓷pzt上实现重复频率的锁定，将误差信号反馈至飞秒光纤激光器的电流源进而锁定偏置频率。

具体地，本实施例中，非线性f-2f干涉仪是通过f-2f自参考技术命名的，其将光频率梳中的低频成分fn=nfrep+f0经过倍频后的成分2fn=2nfrep+2f0与光频率梳的高频成分f2n=2nfrep+f0做外差拍频得到偏置频率：f0=(2nfrep+2f0)-(2nfrep+f0)，通过将外差拍频得到的f0与标准频率进行比较，可以得到误差信号并反馈至飞秒光纤激光器的电流源进而锁定偏置频率。

本实施例中，倍频模块3用于将经过掺饵光纤放大器后的中心波长为1560nm的脉冲光转化为波长为780nm的输出脉冲光，使用780nm的激光与待测样品发生相互作用。电路锁定单元用来进行重复频率和偏置频率的锁定；gps参考频率为在重复频率和偏置频率锁定过程中的所有合成器和计数器提供参考，确保光学频率梳最终锁定到gps模块连接的原子钟上。在gps模块中，石英振荡器输出10mhz的参考信号，在重复频率和偏置频率锁定过程中，频率梳中电路锁定单元所有频率合成器和计数器都是以gps输出的10mhz为参考的，这样重复频率和偏置频率就都锁定到gps连接的原子钟上，所以说，重复频率和偏置频率都锁定在同一个参考，但是两者不相互依赖。他们是分别进行锁定的。。

其中，本实施例中，光谱仪使用的是yokogawa公司，型号为aq6370d的高精度光谱仪，波长范围为600-1700nm，波长精度为±0.01nm，波长分辨率为0.02nm，是干涉测量应用的理想选择。二维平移台是为了将待测样品进行固定安装的，通过在两个方向上移动二维平移台使待测样品在二维方向上移动，以实现待测样品的形貌表征。

本实施例中，所述光源系统发出的光束经第二反射镜7后入射到分光元件8，然后被分为两束后，一束作为参考光束垂直入射至第一反射镜11；一束作为探测光束入射至放置在二维平台10上的待测样品9表面；参考光束和探测光束分别被第一反射镜11和待测样品9反射后返回分光元件8，在分光元件8处重合并发生干涉，干涉信号经第三反射镜12和透镜13后，进入光谱仪14探测，探测得到的干涉信号经所述信号处理系统计算得到待测样品的三维形貌，最后传输到显示屏16进行显示。

具体地，本实施例中，所述信号处理系统ⅲ包括信号处理软件15和显示屏16，信号处理软件15用于对从光谱仪14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（16）显示。

进一步地，本发明实施例还提供了一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的方法，其包括干涉信号获得、傅里叶变换分析、光程差计算、形貌表征四个步骤：

s1、干涉信号获得：从光学频率梳发出的脉冲光，在分光元件8处被分成两束，一束进入参考路径，在第一反射镜11处被反射；一束进入测量路径，在待测样品9处被反射；最后两束被反射的光在分光元件8处再重合，最后重合后的光束发生干涉，进入光谱仪14，观察光谱干涉条纹。

s2、傅里叶变换分析：将获得的干涉信号进行快速傅里叶变换分析，获得傅里叶变换光谱图，然后计算获得干涉信号的展开相位的斜率k；其中，k=；表示干涉信号的展开相位，f表示对应的频率，如图2所示，其中（a）为本发明实施例中对干涉信号进行快速傅里叶变换获得的干涉光谱图，（b）为对应的干涉信号的展开相位与频率的关系图。

s3、光程差计算：参考光束与测量光束的光程差d可以表示为：

；（2）

其中，c=3×10⁸m/s，表示光速，n表示空气折射率，在测量过程中视为常数1.00026。在获得展开相位的斜率k后，就可以计算获得一个光程差；

s4、形貌表征：在两轴平面上以0.5μm的间隔对待测样品进行扫描，重复s1-s3的步骤，在二维方向（x-y）上获得待测样品不同位置处参考光束与测量光束的光程差d，然后在三维坐标系里（x-y-d）绘制光程差的变化，以获得待测样品不同位置的表面分布情况，从而实现待测样品的三维成像。

如图3所示，为本发明实施例获得的某一待测样品的三维成像图，其中（a）为实物照片图，（b）为通过本发明实施例获得的三维成像图。

综上所述，本发明提供了一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置及方法，可以通过二维扫描在待测样品不同位置所产生的测量路径和参考路径的光程差，实现待测样品的三维形貌成像，其具有普适性高的优点，可以实现对任意大小、任意形状、任意厚度的待测样品进行形貌表征，测量精度高，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线成像；这些结果证明，本发明将成为三维成像的有力工具。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。