一种金属膜厚度测量装置和方法

本发明涉及光学测量，尤其涉及一种金属膜厚度测量装置和方法。

背景技术：

1、在当今的各类工业应用中，单一材料的性质往往难以满足实际需求，通过在衬底表面镀金属膜可以改善材料性能。不同的金属膜具有不同使用场景，所镀膜层的厚度和均匀性都会对材料的力学、光学、化学性能造成显著影响，因此对金属薄膜的厚度测量是十分重要的。在这些测量方法中，无损非接触方法由于适用范围广，更加具有意义。

2、与传统激光超声测厚不同，飞秒激光超声测厚系统利用飞秒或皮秒激光作为光源，同时利用超短脉冲进行探测，大幅提升了探测分辨率。利用该方法可以对几十纳米到几微米的超薄金属膜进行厚度测量，分辨率优于1nm。

3、目前的飞秒激光测厚系统中，整体系统体积庞大，探测光和泵浦光通常是以不同的角度入射到待测样品的，由于两束光在空间不重叠，整体结构复杂，当样品变化时候需要对整体光路进行调节，操作繁琐，不利于该装置的小型化、商品化。

技术实现思路

1、本发明提供了一种金属膜厚度测量装置及方法，以实现探测光和泵浦光的同角度入射，同时简化测量系统的结构，缩小整体的体积。

2、根据本发明的一方面，提供了一种金属膜厚度测量装置，包括：

3、光源模块、分光模块、延迟模块、探测光传输接收模块、泵浦光调整模块、泵浦光传输模块、光功率探测器、光电探测器和控制模块；

4、所述光源模块用于出射激光光束；所述分光模块位于所述激光光束传输的光路中，用于将所述激光光束分为探测光束和泵浦光束；所述探测光传输接收模块位于所述探测光束传输的光路中，用于传输所述探测光束至待测样品，还用于接收所述待测样品反射的所述探测光束的反射光束，并将所述探测光束的反射光束传输至所述光电探测器；

5、所述泵浦光调整模块位于所述泵浦光束传输的光路中，用于调整所述泵浦光束的光学参数；所述泵浦光传输模块位于所述泵浦光调整模块的下游，用于分束所述泵浦光束为第一泵浦光和第二泵浦光，还用于传输所述第一泵浦光至所述待测样品，还用于传输所述第二泵浦光至所述光功率探测器；所述探测光传输接收模块还用于过滤所述待测样品反射的所述第一泵浦光的反射光束；其中，所述第一泵浦光入射至所述待测样品的入射角度与所述探测光束入射至所述待测样品的入射角度相同；

6、所述延迟模块位于所述分光模块与所述探测光传输接收模块之间的光路中，或位于所述泵浦光调整模块与所述泵浦光传输模块之间的光路中，或位于所述分光模块与所述泵浦光调整模块之间的光路中，用于延迟所述探测光束或所述泵浦光束的传输；

7、所述控制模块分别与所述光功率探测器、所述光电探测器、所述延迟模块电连接，所述控制模块用于调整所述延迟模块的延迟量，还用于基于所述光功率探测器探测的泵浦光束强度和所述光电探测器探测的探测光束强度调整所述分光模块的分光比，还用于基于所述光电探测器探测的所述探测光束的反射光束进行金属膜厚测量。

8、根据本发明的一个实施例，所述分光模块包括：二分一波片和第一偏振分光棱镜，所述二分一波片用于将所述激光光束分为探测光束和泵浦光束，所述第一偏振分光棱镜用于透射所述探测光束，以及反射所述泵浦光束。

9、根据本发明的一个实施例，所述探测光传输接收模块包括：第二偏振分光棱镜、四分之一波片、二向色镜和透镜，所述第二偏振分光棱镜用于透射所述探测光束至所述四分之一波片，所述四分之一波片用于调整所述探测光束的偏振态，所述二向色镜用于透过偏振态调整后的所述探测光束至所述透镜，所述透镜用于聚焦偏振态调整后的所述探测光束至所述待测样品；

10、所述待测样品反射所述探测光束形成探测反射光束并通过所述透镜传输至所述二向色镜，所述二向色镜用于透射所述探测反射光束至所述四分之一波片，所述四分之一波片用于调整所述探测反射光束的偏振态，所述第二偏振分光棱镜用于反射偏振态调整后的所述探测反射光束至所述光电探测器。

11、根据本发明的一个实施例，所述泵浦光传输模块为非偏振分光棱镜。

12、根据本发明的一个实施例，所述分光模块为第一波分复用器，用于分束所述激光光束为探测光束和泵浦光束。

13、根据本发明的一个实施例，所述探测光传输接收模块包括：依次连接的光衰减器、光纤环行器、第二波分复用器和光纤耦合器；所述光纤环行器的第三端连接所述光电探测器。

14、根据本发明的一个实施例，所述泵浦光传输模块包括光分路器，所述光分路器的第一输出端连接所述第二波分复用器的第三端，所述光分路器的第二输出端连接所述光功率探测器。

15、根据本发明的一个实施例，所述探测光传输接收模块包括密集型波分复用器、第二光纤环行器、第三波分复用器和第二光纤耦合器，所述泵浦光传输模块还包括第二光分路器；

16、其中，所述密集型波分复用器的一端与所述光衰减器的一端连接，第二端与所述光纤环行器的一端连接，第三端与所述第二光纤环行器的一端连接；所述第二光纤环行器的第二端与所述第三波分复用器的一端连接，所述第三波分复用器的第二端与所述第二光纤耦合器的一端连接，所述第二光纤环行器的第三端连接第二光电探测器，所述第三波分复用器的第三端与所述第二光分路器的一端连接，所述第二光分路器的第二端与所述光纤耦合器的一端连接，所述第二光分路器的第三端与所述光分路器的一端连接。

17、根据本发明的一个实施例，所述泵浦光调整模块包括：光强度调制器和光倍频与整形模块，所述光强度调制器通过信号发生器以固定频率调制泵浦光的强度，所述光倍频与整形模块包括非线性晶体。

18、根据本发明的一个实施例，所述泵浦光调整模块包括：光强度调制器和光倍频与整形模块，所述光强度调制器通过信号发生器以固定频率调制泵浦光的强度。

19、根据本发明的一个实施例，所述延迟模块包括光纤电动延迟线，所述泵浦光束或所述探测光束入射至所述光纤电动延迟线一端，由所述光纤电动延迟线另一端传输至所述探测光传输接收模块或所述泵浦光调整模块或所述泵浦光传输模块。

20、根据本发明的一个实施例，还包括：锁相放大器，所述锁相放大器分别与所述控制模块、所述信号发生器、所述光电探测器电连接，所述锁相放大器用于接收所述信号发生器发出的同步信号和所述光电探测器的探测信号，并基于所述同步信号和所述探测信号提取所述泵浦光束激发的超声波对所述探测光束的影响结果，并将所述影响结果发送至所述控制模块。

21、根据本发明的另一方面，提供了一种金属膜厚度测量方法，基于本发明任一实施例提供的所述的金属膜厚度测量装置实现，包括：

22、获取所述光电探测器的探测信号光斑，依据所述探测信号光斑的大小调整放置所述待测样品的样品台的俯仰角，使所述探测信号光斑大小达到预设尺寸；

23、获取所述光功率探测器的探测值，控制所述泵浦光调整模块调整所述泵浦光的光学参数，和/或调整所述光源模块的输出激光强度，使所述探测值达到预设值；

24、根据所述探测信号光斑的强度与所述探测值的强度的比值，调整所述分光模块的分光比，使所述探测信号光斑的强度与所述探测值的强度的比值达到预设比值；

25、控制所述样品台移动，使所述探测光束和所述泵浦光束对所述待测样品进行扫描；

26、获取所述光电探测器的探测信号和所述泵浦光调整模块的同步信号随时间形成的曲线；

27、基于所述曲线计算所述待测样品的金属膜厚度。

28、根据本发明的一个实施例，所述基于所述曲线计算所述待测样品的金属膜厚度包括：

29、截取去除所述曲线中沿时间轴自左向右的第一个峰值，形成预处理曲线；

30、采用最小二乘法的二次函数拟合，去除所述预处理曲线的背景噪声，形成无背景噪声曲线；

31、采用savitzky-golay滤波方法对所述无背景噪声曲线进行平滑处理，形成滤波曲线；

32、对所述滤波曲线进行依赖于局部最大值的寻峰，得到一系列峰值位置，形成峰值曲线；

33、对所述峰值曲线进行快速傅里叶变换得到频域曲线；

34、根据所述频域曲线计算所述待测样品的金属膜厚度。

35、综上所述，根据本发明实施例提出的金属膜厚度测量装置和方法，其中装置包括：光源模块、分光模块、延迟模块、探测光传输接收模块、泵浦光调整模块、泵浦光传输模块、光功率探测器、光电探测器和控制模块；光源模块用于出射激光光束；分光模块位于激光光束传输的光路中，用于将激光光束分为探测光束和泵浦光束；探测光传输接收模块位于探测光束传输的光路中，用于传输探测光束至待测样品，还用于接收待测样品反射的探测光束的反射光束，并将探测光束的反射光束传输至光电探测器；泵浦光调整模块位于泵浦光束传输的光路中，用于调整泵浦光束的光学参数；泵浦光传输模块位于泵浦光调整模块的下游，用于分束泵浦光束为第一泵浦光和第二泵浦光，还用于传输第一泵浦光至待测样品，还用于传输第二泵浦光至光功率探测器；探测光传输接收模块还用于过滤待测样品反射的第一泵浦光的反射光束；其中，第一泵浦光入射至待测样品的入射角度与探测光束入射至待测样品的入射角度相同；延迟模块位于分光模块与探测光传输接收模块之间的光路中，或位于泵浦光调整模块与泵浦光传输模块之间的光路中，或位于分光模块与泵浦光调整模块之间的光路中，用于延迟探测光束或泵浦光束的传输；控制模块分别与光功率探测器、光电探测器、延迟模块电连接，控制模块用于调整延迟模块的延迟量，还用于基于光功率探测器探测的泵浦光束强度和光电探测器探测的探测光束强度调整分光模块的分光比，还用于基于光电探测器探测的探测光束的反射光束进行金属膜厚测量。进而，通过上述测量装置和方法可以使得泵浦光和探测光可以共线入射至待测样品，系统采用光纤激光器作为光源依照设计的空间光路或光纤结构，配合电学结构与软件处理，可以使得整个测量系统集成化、小型化。

36、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。