（光学工程专业论文）光热偏转法评价光学薄膜的激光损伤.pdf

浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在施柏煊教授的悉心指导下完成的。在研究生学习和工作期间，施 教授不但给了我精心的指导和大力的支持，而且在生活和思想上也给了我无微不 至的关怀。这些都是课题和论文得以顺利完成的保障。施老师渊博的学识、严谨 的治学作风和丰富的实验经验都让我收益匪浅；施老师待人热情真诚，乐于帮助 年轻人成长，在科研和做人方面都给了我很多教诲，这将使我收益终身。在此， 谨向施柏煊教授表示深深的敬意和衷心的感谢! 本研究课题受国家自然科学基金( 批准号1 0 1 7 4 0 6 7 ) 资助，作为博士研究 课题的预研究，受到在职博士生沈剑峰老师的大力支持。在研期间，沈剑峰老师 承担了不少的工作，同时，在光、机、电各个方面都对我进行了大量的指导和帮 助。沈剑峰老师极强的动手能力和严谨踏实的工作作风都给我留下了深刻的印 象。在此向沈剑峰老师表示由衷的感谢! 谈恒英、毛晓兰、杨甬英、严惠民和吴沧海等诸位老师为我们的实验研究提 供了许多实验设备和工具，也为我耐心解答过许多问题。他们的帮助使我们的工 作得以顺利进行。在此也表示由衷的感谢! 感谢我的父母，感谢他们对我二十多年的养育之恩! 为了供我读书，他们背 负着沉重的负担。我的每一份成绩都饱含父母的心血，是他们在默默奉献、支撑 着我。 最后，我要感谢我的母校浙江大学，感谢我的所有老师和同学们，我曾得到 他们无私的帮助和支持。感谢评审论文的各位专家，谢谢他们的宝贵意见! 刘鹏程 二oo 三年二月于求是园 浙江大学硕士学位论文 摘要 ff i 光学薄膜激光损伤的无损评价是一个十分重要的研究领域。童艋激光驱动的 、 l 惯性约束核聚变以及强激光的应用中，都有着十分重要的作用，本文总结了目前 国内几种主要的研究方法，包括用透射反射扫描法检测光学薄膜的激光损伤，用 - - _ _ - - _ - - 一 光声法测定光学薄膜的破坏阈值，以及用散射法来测量光学薄膜的损伤阈值等。 在广泛调研的基础上，结合本实验室自身的优势，提出了应用光热偏转方法来评 价光学薄膜的激光损伤。 本文首先介绍了光热偏转方法的基本原理和特点，说明了光热偏转方法在无 _ - _ _ _ _ _ _ - _ 损检测领域有着许多突出的优点和重要的应用。然后描述了光热偏转方法的理论 模型三层介质模型，对三层介质模型的解的物理意义加以了说明，并着重论 述了引起光热效应的物理量，即沿正向传播和反向传播的热波的物理意义。然后 介绍了在实验中具体应用到的三种光热偏转方法即掠射式的光热偏转方法、 反射式的光热偏转方法和透射式的光热偏转方法。然后详细介绍了所设计的实验 装置中的光、机、电、算等各个环节。对系统中的泵浦光路和探测光路设计时的 考虑因素，以及设计实施方案，都作了详细的介绍。系统机械机构的设计，既要 考虑使系统结构紧凑，又要使系统能够比较方便的调整。电子部分也是光热系统 中十分重要和关键的一环，电子部分起到对原始的光热信号进行放大、滤波以及 i m l l m m m m m m m , a d 转换的功能。计算机控制软件控制整个系统的三维扫描，数据采集以及对采 集到的数据进行编码。 最后给出了应用三种不同的激光器作为泵浦源而得到的实验结果，对这些实 验结果作了对比分析，并对一些影响光热偏转法测量精度和速度的因素作了讨论 和总结，并提出了今后的发展思路。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no no p t i c a lt h i nf i l m sl a s e rd a m a g ei sav e r y i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a i th a sb r o a da p p l i c a t i o ni nh i g hp o w e rl a s e rs y s t e m ，e g ，t h e l a s e rd r i v e n i c f ( i n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o n ) s y s t e m t h i sp a p e rs u m m a r i z e d s e v e r a lm a i nr e s e a r c hm e t h o d so nt h i st o p i ci no u rc o u n t r y , i n c l u d i n g t h ed e t e r m i n a n t o fl a s e r - i n d u c e d - d a m a g eo ft h i nf i l lb yt h es c a no ft r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t a n c e m e t h o d ”，“s t u d y o ft h e p h e n o m e n a o nl a s e r - i n d u c e dt h i nf i l m d a m a g eb y p h o t o a c o u s t i cm e t h o d ”a n d t h em e a s u r e m e n to fd a m a g et h r e s h o l do no p t i c a lt h i n f i l m b y d i f f u s i o n m e t h o d ”，e t c a f t e r b r o a d i n v e s t i g a t i o n o nt h i s t o p i c ，t h e p h o t o - t h e r m a l b e a md e f l e c t i o n t e c h n i q u e ( p b dt e c h n i q u e ) w a sa p p l i e d o nt h e e v a l u a t i o no f t h eo p t i c a lt h i nf i l m s l a s e rd a m a g e b y u sa so u rl a b sa d v a n t a g e t h i s p a p e r f k s ti n t r o d u c e dt h ep b dt e c h n i q u e sb a s i c p r i n c i p l e s a n d c h a r a c t e r s ，t h e s ec h a r a c t e r ss h o w t h a tt h ep b d t e c h n i q u eh a sm a n ya d v a n t a g e si nt h e n d e ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o r nf i e l d t h e ni td e s c r i b e dt h et h e o r ym o d e lo fp b d t e c h n i q u e - - - t h r e el a y e r sm e d i u mm o d e l ，a n de x p l a i n e dt h ep h y s i c a lm e a n i n go f t h e m o d e l ss o l u t i o n d u r i n ge x p l a i n i n gt h em o d e l sp h y s i c a lm e a n i n g ，i tf o c u s e do nt h e p h y s i c a lp a r a m e t e r s c h a r a c t e rw h i c hi n d u c e dt h ep h o t o - t h e r m a le f f e c t t h e nt h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h r e et y p e so f p b d t e c h n i q u ea p p l i e di nt h ee x p e r i m e n k s - - - t h a ti s t r a n s v e r s e p h o t o - t h e r m a l d e f l e c t i o n t e c h n i q u e ( m i r a g ee f f e c t ) ，p h o t o t h e r m a l r e f l e c t a n c ed e t e c t i o nt e c h n i q u ea n dt r a n s m i s s i o np h o t o - t h e r m a ld e f l e c t i o nt e c h n i q u e t h e nt h e o p t i c a l ，m e c h a n i c a l ，e l c c t r o h i c a n d c o m p u t e rc o m p o n e n t s i nt h e e x p e r i m e n t a ls e t u p w e r ed e t a i l e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e da tt h r e et y p e so f l a s e rw h i c hw a s u s e da st h ep u m ps o u r c ew e r ep r e s e n t e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n d s o m ef a c t o r sw h i c he f f e c tt h et e s t i n gp r e c i s i o na n dr a t eo ft h ep b d t e c h n i q u ew e r e d i s c u s s e d i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h el a bw o r kw a ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ep l a n w a sv i e w e d 3 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 自从激光问世以来，光与物质相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。 六十年代初，随着调q 激光器的出现，激光对物质的破坏作用就为人们所察觉。 随着激光事业的发展、高功率激光器的出现，人们进一步发现，激光器有用输出 功率的提高，除其他因素外，器件本身所能承受的抗破坏能力已成为限制其发展 的重要因素之一，从而激光对材料的损伤就成为激光领域中的一项重要研究课 题。而光学薄膜是激光系统中最容易损伤的薄弱环节。在激光核聚变等强激光技 术研究过程中，薄膜损伤常常是限制激光器件规模和能量输出水平的一个主要因 素。 激光核聚变是利用激光作为直接驱动源或间接驱动源来进行惯性约束核聚 变的一门新学科，它是光学与核物理的一个交叉学科，因此其实验方法与检测手 段相对于传统的光学方法与核物理手段又有许多新要求。在激光驱动的惯性约束 核聚变实验中，为了使靶压缩到临界体积，在靶面上的激光功率密度要达到 1 0 1 6 o w c m 2 。为了实现这一目标，在m o p a ( 主振荡器加功率放大器) 系统中， 就要对种子光进行多级放大，正是在这一逐级放大的过程中 3 1 所用光学元件 的数目成倍的增加，光学元件所承受的激光能量密度也成倍的提高，因此，光学 元件膜层的受损现象也随之严重起来。由于受损的光学元件将极大的恶化传输光 束的品质4 1 ，从而造成光束空间分布均匀性急剧下降，靶面光强不均匀分布等恶 果，直接影响着惯性约束核聚变的实现。因此，在激光核聚变实验中，首先必须 对所用光学元件膜层的破坏阈值作出测定，确定其抗破坏强度，通过研究其受损 机理，改变光学镀膜的条件，提高所用光学元件膜层的破坏阈值，从而满足百焦 耳级，千焦耳级及兆焦耳级大型激光器的需要。 所以，为了寻求高性能的光学元件，首先要有一套能有效、便捷的测量光学 薄膜在各种激光作用下的损伤阈值的装置。因为，准确的测定薄膜的激光损伤及 损伤阈值不仅是衡量薄膜的抗激光损伤能力的标准，而且是研究激光损伤机理的 必备条件。然而测定损伤阙值的关键是准确判定损伤的发生与否。本课题旨在运 用新的光学探测技术( 光热偏转探测技术) 探索无损检测光学薄膜激光损伤的有 效方法。 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 检测光学薄膜损伤的几种主要的研究方法 探测光学薄膜的激光损伤，最初的办法是直接用肉眼或显微镜观察辐照表面 有无宏观损伤或等离子体闪光，但此法较为粗糙，损伤点不易寻找，而且当激光能 量较低，尚未引起表面宏观破坏时无法看出损伤，而这时光学薄膜的微观结构及光 学性能如折射率、透过率等可能已经改变，甚至可能发生热形变等。因此，对损伤 的判断，以光学薄膜光学性能是否改变而不是宏观上的破坏作为标准。显得更为客 观。在这个标准的基础上，国内外学者根据各自的情况设计出了多种测量阈值的 具体方法，如透射反射扫描法 5 1 、散射检测法c 6 、光声法7 等。各种判定方法均 有其合理性，但这些方法都有它们的局限性，都不能很好地解决损伤判定的问题。 透射反射扫描法实验装置如图1 2 1 所示。 s a m p i c 白0 u ai r e s i b l e 图1 2 1 透射反射比扫描测试装置图 入射诊断激光波长为1 0 6 um ，d 1 ，d 2 和d 3 三个探测器分别测量分束激光功率p 。， 样品的反射激光功率p 2 和经过样品后的透射激光功率p 3 。假设分光镜有固定的分 光比，则入射到样品的激光功率p ，= ap 。其中a 是常数，其值等于未放置样品 时的p 。p 。因此透射比n 。和反射比d ，可以表示为 a 。= p 3 np l ，= p 2 qp 。( 1 2 1 ) 计算机按照预先设置的程序运行，首先关闭诊断激光，探测器d 。，d 。和d 。获得背 景光强p t o ，p 2 0 和p 3 0 ，以后测到的光强都要相应地扣除掉这个光强。然后打开诊断 激光，在没有样品存在的情况下d l 和d 3 采集光强p 。和p 。常数= ( p 。- - p l o ) “p 3 - - p 3 0 ) 。最后，放上样品，测出p l ，p 2 和p 3 ，即可由( 1 2 1 ) 式计算得到透射比 浙江大学硕士学位论文 和反射比。计算机控制二维样品台移动，实现扫描测试。 散射光法实验装置如图1 2 2 所示。 图1 2 2 散射光法监测样品表面损伤的实验系统布局 实验用一束h e n e 激光作测试光从后面透射照射样品，激光辐照点与h e n e 测 试光点在样品表面重合，样品前依次放置物镜、刀1 ：3 与成像透镜，最后用一紫外光 电管接收器来接收散射光信号。虽然紫外光电管对红光的灵敏度较紫外光来说要 低一些，但对这个实验来说，其灵敏度已能够满足实验精度的要求。刀口的微小移 动均能被光电管反映而从示波器上很明显地观察到。又由于紫外光电管对h e - n e 光的灵敏度与它对紫外光的灵敏度不在同一量级，因此从示波器上很容易区分出 这两种光，排除了非测试光被误接收的可能。从而使该系统成为一种相当简单而 且灵敏度高的测量系统。 光声法的实验装置如图1 2 3 所示。 图1 2 3 光声法研究光学薄膜破坏现象的实验装置示意图 r 限 浙江大学硕士学位论文 激光器的出射光首先经过一空间滤波器滤波，然后通过一系列的分光镜s 、 s 2 、s 3 、s 4 、s 5 进行衰减，选择不同组合以确定薄膜受照的破坏阈值。同时在光 路终端用正透镜把照射光束聚焦，并把样品放在焦点前方的某一位置上。激光 对样品表面具有加热作用，在样品表面产生弹性应变，激发出表面应力波，该应 力波将对与实验样品接触的光声探头激发出一个光声信号。由于光学薄膜在发生 破坏前与发生破坏后其本身的物理性质已经发生了变化，因而激发出的光声信号 也随之发生了变化，于是以此变化就可以判断出光学元件是否已经发生了破坏， 从而达到了在线检测的目的。 1 。3 光热偏转技术的原理和特点 1 ，3 1 光热偏转技术的概念 光热偏转技术( p t d ) 1 8 l 9 1 1o 】【1 1 1 ，亦称“蜃景效应( m i r a g e ) 技术，是指当一 束调制光( 称为泵浦光) 照射到试样表面，其光能被试样吸收，部分或全部转变 为热能，并在试样内及相邻媒质中产生温度梯度。媒质的折射率是温度的函数， 结果在试样的加热区内以及相邻试样表面的媒质薄层内形成折射率梯度，这时若 让一束小功率激光束( 称检测光束) 穿过试样内具有折射率梯度的区域( 当试样 为透明) 或掠射试样表面，通过相邻媒质中具有折射率梯度的薄层时，光束将发 生偏转，这一现象称为“蜃景”效应。通过对光束偏转角大小的测量，就可以测 量试样的特性( 光、热、力学等特性) ，这种利用“蜃景”效应进行检测的技术 就称为光热偏转检测技术，简称p t d 技术。图1 3 1 给出了掠入射的“蜃景”效 应的示意图。 、， - 图l _ 3 1 掠入射的“蜃景”效应示意图 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 光热偏转技术特点”“ 1 ) 检测信号直接取决于物质吸收光能大小，对反射光、散射光不敏感，对 弱吸收试样可增大入射光功率，提高检测的信噪比； 2 ) 试样本身既是被研究对象，又是吸收电磁辐射( 包括电予束) 的检测器， 故可以在一个很宽的光学和电磁学范围内进行研究而不必改变检测系统。其最低 检测限主要取决于光源强度，检测器和接收器、放大器的灵敏度等； 3 ) 光热信号是物质分子在吸收强度被调制的外界能量后，由受激态经过无 辐射跃迁到低能级时所产生的，因此与物质受激后的辐射过程，光化学过程是互 补的。( 本身又是种研究物质荧光、光电和光化学现象的极其灵敏和十分有效 的方法) ； 4 1 灵敏度高； 5 ) 是一种非接触式检测技术，对试样形状、尺寸等要求较少； 6 ) 不需要对样品进行预处理，可实时检测。 1 4 光热检测技术及其应用研究的发展 1 脉冲激光技术应用于光热研究 自从7 0 年代近代光声光热学的先驱者a r o s e n c w a i g 等使光热效应广泛应用 于物理、化学及生物医学等方面的研究以来，光热效应的研究逐步引起广大科学 家的注意与重视。但所使用的光源基本上是经过强度调制的连续光，包括连续激 光和多光谱的高强光源。随着脉冲技术的迅速发展，到8 0 年代，脉冲光源就逐 步替代了连续光源。例如，在气体的痕量分析中，利用脉冲染料激光器或脉冲二 氧化碳激光器等波长在较宽光谱范围可调谐的激光作光源，测定样品的光热光 谱，对样品进行痕量分析；又如，在材料的热扩散研究中，利用脉冲y a g 激光 器输出的1 0 6 “m 激光束作为泵浦光，利用小功率h e n e 激光束作为探测光， 采用光热偏转方法来测量材料的热扩散率，等等。 2 非接触式光激发与光热检测技术应用于材料和器件的测试 由于材料科学和高技术的发展，对材料和器件的无损评价提出了更高的要 求，如在特殊环境中应用的材料或在特殊环境( 高真空、高温、高压、超净等) 中 制作的器件，希望能在使用或制作过程中进行检测或评价，这就要求检测技术不 8 浙江大学硕士学位论文 但无损，而且要非接触式。因此，利用激光激发声波或热坡，并用另一束激光来 检测声波或热波的技术迅速发展起来。利用近代精密激光干涉仪方法、光导纤维 技术及其他如光热偏转技术( 所谓m i r a g e 效应) 以各种变换的形式出现在光声、光 热研究中。到目前为止，光热偏转方法由于其设备简单、灵敏度高而引起广泛的 重视，无论在气体、液体和固体物质的研究中，均可利用这一方法，而且已用来 测试光热光谱、热扩散率、深度剖面等等。这是很受欢迎的一种非接触式光学测 试方法。其次，各种光干涉仪技术，就其所测的物理量不同而其结构各有所异， 它所能达到的检测灵敏度是目前各种方法中最灵敏的，但装置和结构比较复杂， 调试较困难，因此使用起来还有一些局限性。光导纤维技术则是新的发展趋势。 随着光导纤维在科学技术和工业中应用的逐渐普及，一定会在光声、光热领域研 究中开辟新的应用前景。 3 光热技术在半导体材料和器件及微电子的研究和测试中的重要作用 由于半导体材料在光照下激发大量光生载流子( 亦称等离子体) ，光生载流子 的复合是半导体的重要物理特性，受到半导体科学工作者广泛的重视。同时，光 生载流子的非辐射复合将产生较多的热量，因此以测量温度变化为基本物理量的 光声、光热技术，对半导体和微电子材料的测试具有很高灵敏度。8 0 年代初在 美国加州创立的热波( t h e r m a l - - w a v e ) 公司就是最早将光热波技术引入半导体工 业的，成为生产流水线上重要的在线检测设备之一。首先，利用光热波技术在线 检测半导体离子注入浓度。其次，利用光热波成像技术对集成电路进行深度分层 成像，可以对隐埋层、扩散区、离子注入区或氧化区进行深度剖面成像。还特别 适用于金属铝引线失效特征的显示检测，同时可以对各种工艺过程的失效原因进 行成像显示。第三，光热光谱技术可以用来研究和测试半导体能隙，用于半导体 薄膜和超晶格( 或异质结) 材料的光热非辐射吸收谱测试，获得传统光谱法无法获 得的信息。 4 光热效应在农业、生物和医学方面的应用 光声、光热效应在农业、生物和医学中的应用起源于7 0 年代，多年来没有 显著的进展。但是现在有了长足的进展。荷兰w a g e n i n g e n 农业大学研制的光热 光谱仪，它能对植物的叶子在活体状态下进行光热光谱测试。同时，荷兰与东欧 一些国家合作利用此设备对植物的光合作用产物进行了试验，得到满意的结果。 9 浙江大学硕士学位论文 此外，许多国家的科学工作者不但测量了植物的新陈代谢情况，而且对人体的皮 肤组织以及细菌等进行了光热研究，或研究其结构，或研究其光化学反应的弛豫 过程。这是目前的新发展趋势之一。 5 光热偏转检测技术的无损探伤应用 如上节所说，光热偏转检测技术的灵敏度高，检测信号直接取决于物质吸收 光能的大小和非接触等特点，使它一诞生就受到无损探伤界学者的青睐。早在上 个世纪8 0 年代初，a r o s e n c w a i g “2 1 等就报导了铝合金的热波成像的研究，揭 开了光热技术应用于物质表面和次表面参数结构，成像探测的序幕。早在1 9 8 5 年t 1 3 1 我国南京大学声学研究所张淑仪院士曾以光声探测技术检测到多层集成 电路次层电路断点的无损检测结果。在此启发下，在我们的实验室，也分别于 1 9 9 1 年4 1 和1 9 9 3 年5 1 以光热反射偏转探测法获得碳素纤维、金属铝、不锈钢 和光学有色玻璃的表面烧蚀和裂纹的信号编码图像。也曾探测到深度达2 0 0 l am 的表面下的暗凹槽缺陷。上世纪八十年代中期以来，国际上包括r o y s e 、b o s s 、 t h o m a s 等都开展了对物质的光热次表面缺陷和杂质的成像的检测研究，可见到 诸多的报导们| 1 7 1 。 鉴于光热偏转探测技术对光子能量的吸收的高度的灵敏性，用于光学薄膜激 光损伤的无损检测比之其他方法的优势。我们在国家自然科学基金( 1 0 1 7 4 0 6 7 ) 资助下，率先开展本课题的研究。通过年多来的初步实验研究，已经得到了初 步的可行性论证，并发表了相应的论文蜘1 1 9 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章理论分析 2 1温度场的三层介质模型 2 1 1 三层介质模型 研究光热偏转信号的理论工具大多用三层介质模型理论。如图2 1 1 n 所示。 z = 0 z = l x y z 巾 2 a 争 z o 爪 l 区域1 0l2 图2 1 1 三层介质模型的示意图 吸收试样设为区域1 ，其厚度为z ，区域0 和2 设为和吸收试样相邻的介质， 例如空气和背景并假设为不吸收光，同时空间上，理想化模型又假设在z 方向上 是半无限大的。而在径向上都是无限大的。由于通常所用的泵浦光束和探测光束 的直径都远远小于试样的径向尺寸，同时，在实验感兴趣的调制频率上，大多数 试样的热扩散长度ui 都远小于试样的径向尺寸，所以，以上假设基本上是符合 实际的。 在这三个区域内，温度的增量t i 满足热传导方程 v 2 矗一去鲁- o ， 一 z 。 v ：z 一土a t ：一丝! ! ! ! ：尘， o z ， 1 口a tk ( 2 1 1 a ) ( 2 1 1 b ) v 2 l 一上鱼生：0 ， ，z + 一 ( 2 1 1 c ) 2 口。0 t 。 、 当用功率为p 。的高斯泵浦光束作方波强度调制时，方程2 1 1 b 中的h ( r z ，t ) l 浙江大学硕士学位论文 ( 试样中频率为，2 券振荡的热功率密度) 可表示为 帅川= 丢等e 廿e 一等e = h ( r ，z ) e ( 2 1 2 ) 式中，a b 为泵浦光束高斯分布的e 。1 的半径，n 为吸收的光能转变成热能的 效率。 2 1 2 三层介质模型的解 对方程2 1 1 采用柱坐标分离变量法求解，可得到区域0 ，1 ，2 的解分别为 矗( r ，z ，f ) = 丢j o e ( 艿) e 。2 j 。( 毋) 鼢1 h ， ( 2 1 3 ) 正( ，z ，f ) = 了1f 【r ( 占) p 一肛+ 4 ( 占) 口一。1 2 + b ( 占) e 4 9 】，。( 毋) 鼢“， ( 2 1 4 ) 疋( r ，z ，f ) = ifd ( 6 ) e - o o ( z - 1 ) 山( s r ) s d & ， ( 2 1 5 ) 式子( 2 1 3 ) ，( 2 1 5 ) 和( 2 1 4 ) 中的复变数e ( 5 ) ，d ( 5 ) ，a ( 8 ) 和b ( 5 ) 可由边界条件来确定。这样，我们就求得了区域0 ，1 和2 三个区域 内温度增量的普遍解。具体的解的形式请参阅参考文献t 1 1 。式( 2 1 4 ) 中各个 变量的物理意义如下：a ( 5 ) 是沿z 轴负向扩散的热波振幅，b ( 5 ) 是沿z 轴正向扩散的热波振幅，f ( 6 ) 是由于泵浦光束的作用而在点( r z ) 处吸收光 能而产生的温升。式( 2 1 3 ) ，式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 4 ) 表明，任何一个区域内 的温度分布都能分解成j 。( s r ) e ”7 2 的分布形式，这些分布是相互独立的，并具 有有效的热扩散长度 以- 【r e ( 】_ l = r e ( 5 2 + 詈) _ 】 当6 = 0 时，表明沿径向的温度分布是均匀的。 2 1 3 光束偏转角的计算 光线通过折射率不均匀的介质时，光线将会发生偏折。由于介质的折射率是 温度的函数，可以表示为 n ( r ，t ，丁) = n ( r ，t ，瓦) - i - a n ( r ，f ，t ) 因此，试样因吸收光能而使自己及相邻介质加热的现象，必然导致它们折射 浙江大学硕士学位论文 率的改变。用另一束高斯检测光束通过折射率改变的区域时，检测光束就发生偏 转，并可用下式描述： 导o _ - d r o ) = v l n ( r ，f ) ， ( 2 1 6 ) a s珊 式中，r o 是检测光束在垂直于原传播方向s 上的位移，v n ( r ，f ) 是介质折射率n ( r t ) 在r o 方向上的梯度。 利用式( 2 1 6 ) 就可以计算出光束的偏转角 妒= 鲁= 吉j v m 油 眩7 ) 如果忽略压力等对介质折射率的影响，把折射率看成只是温度的函数，就可以立 即得到 v - ，z ( ，f ) = a o r v l r ( r ，f ) ， 这时检测光束的偏转角就直接与介质内的温度场梯度相联系。利用上节中求出的 各区域内的温度增量表达式( 2 1 3 ) ，( 2 1 5 ) 和( 2 1 4 ) 就可以得到检测光束在 各区域内的偏转角由。，即 竹= i 1 瓦0 n jjv 1 ( 吖) 幽 ( 2 1 8 ) 由上式可以看出，光热光偏转检测技术测定的是介质内垂直于光传播方向上的温 度梯度。 2 2 三种光热偏转方法 图2 2 1 为三种基本的光热偏转光谱技术实施方案。图2 2 1 中a ) 、b ) 的光 热偏转信号，源于梯度折射率效应1 2 0 1 图中c ) 的光热偏转信号，当样品置于 空气中时，主要源于样品表面的微小变形t 2 1 1 。 浙江大学硕士学位论文 薰嫱 7 廿氯先 暮瞻x 唾光 p 卷訾薹 图2 2 1 光热偏转光谱技术的三种基本实施方案 a ) 透射式光热偏转方案b ) 横向法光热偏转方案c ) 反射式光热位移法 其中a ) 方案可称为透射式的光热偏转检测方案。它的基本原理是基于固体 中的光热效应t 2 2 1 。 调制t t 光束_ ；吾 一 聚焦透镜 目 目 图2 2 2 样品对光的吸收和致热效应 如图2 2 2 所示，一束光的强度以一定的频率调制，并聚焦成光点入射在样 品上，由于样品对光能的吸收，便在样品中形成光学吸收体积v o d 。又由于物 质分子受激后会部分或全部地以热驰豫的方式消激励，形成热扩散体积v 。h 。 这就是通常所说的光热效应。可以用光学吸收长度l l 。和热扩散长度u 。来分别表 征这两种体积在样品深度方向的范围：眨3 1 1 口2 1 口n 从：点矿弘 p c 从：芦】 p c ( 连续输出激光的情况) ( 脉冲输出激光的情况) 1 4 浙江大学硕士学位论文 式中n0 是样品对照射波长的吸收系数，k 、p 、c 分别表示样品的热传导率、 密度和比热，f 是光源的调制频率，t 是脉冲激光的周期。按照热波物理学的知 识可知，这种对调制光的吸收引进的周期热源可能引起样品及其周围介质的几种 主要效应如图2 2 3 所示： 期热流 品中的 迁t 效应 图2 2 3 样品吸收调制光引起的效应 ( 1 ) 样品本身温度升高的热弹变形；( 2 ) e h 样品向空气和背景的周期热流；( 3 ) 样品 和近样品表面空气中的热透镜镜效应，形成样品和空气中的光学折射率变化。 透射式光热偏转方案正是综合利用了样品表面的形变，样品以及样品表面空 气层的折射率的变化而引起的光束的偏转的效应。 如果探测激光和泵浦激光相垂直并在样品表面上掠过，如图2 2 4 所示，则 称这种检测方式为横向法光热偏转方案。 z z 图2 2 4 横向激光光热偏转检测的光学布置 其偏转信号的切向分量巾。完全反映了这种热波向样品表面和空气扩散的特 浙江大学硕士学位论文 性。将( 2 1 3 ) 式代入( 2 1 8 ) 式，就可以得到在区域0 内的光热偏转信号 妒= 去嘉璧咖 = 去万a h o 防咖f 咄( 跏州舢m 0 ) j o ( 8 、l x ：+ y 2 ) 耐& ( 2 2 1 ) 显然，在横向光热偏转方案中只要求区域0 的介质对泵浦光束和检测光束都 透明，因此，它不仅可用于对两光束都能透过的试样，也可用于对两光束都透不 过的试样。然而，在透射式的光热偏转方案中，试样必须对检测光束是透明的。 反射式光热位移法( 光热位移偏转光谱技术) 的原理如图2 2 5 所示。 图2 2 5 光热位移偏转光谱技术原理示意图 样品受强度调制的激光束( 泵浦光束) 照射时，光吸收的存在将在样品内部 产生热波，从而使其表面发生周期性形变，当另一束激光束( 探测光束) 入射这 一形变区域时，其反射光方向将发生相应的周期性偏转。使用象限探测器可探测 这一偏转，分析所得结果即可获得关于样品的信息。 设样品受泵浦光束照射后的表面位移矢量为厅，则光热位移偏转信号满足 西。丝z f ! ：尘( 2 2 2 ) 。 却 式中，巾为探测光束偏转角；u z ( r ，t ) 为露在z 轴方向的分量。掣可通过联立 求解热弹性运动方程而求得1 2 11 ，即： g v 2 开+ ( 五- i - g ) v ( v 霸) = 卢v f + ( 2 2 3 ) 1 6 浙江大学硕士学位论文 式中，g 一剪切弹性模量； 一拉桷常数；p 一样品密度；b 一热应力系数。及 热传导方程 k t h v 2 r - ( 昙啦_ q ( 州) ( 2 - 2 4 ) 式中，k 山一热导率；c - - 比热；q ( r , t ) - 热源；t 一样品偏离平衡态的温度。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 1 总体介绍 本课题的测量装置是一套光、机、电、算一体化的自动扫描检测及处理系统 其总体框图如图3 1 1 所示。 图3 1 1 系统总体框图 经斩波器调制的泵浦激光被透镜聚焦后入射到样品表面，局部加热样品，在 样品及其相邻媒质空气中产生温度梯度，当小功率探测光经聚焦后平行掠过样品 表面( 贴近表面) ，并通过该由温度梯度导致的折射率梯度场时，光束将由于蜃 景效应发生偏转，并由象限探测器接收，接收到的光热偏转信号经差分放大后送 入锁相器输入端，同时，斩波器调制频率信号送锁相器参考信号输入端。具有很 高的放大倍率及信噪改善比的锁相器对信号进行锁定，在其面板上显示偏转角 ( 切向) 的幅值和相位( 或x ，y 的值) ，将其记录下来，利用编制的软件，对扫 描采集到的数据进行分析，即可得到试样表面的激光损伤情况。 图3 1 1 中，由泵浦激光器、探测激光器、聚焦透镜、及一系列反光镜等组 成了系统的光路部分：由象限探测器、差分偏置电路、前置放大电路、锁相分析 器等组成了系统的信号接收部分；由微机、单片机、步进电机、控制接口、样品 平台及三维扫描平台等组成了系统的控制扫描及数据处理部分。后面章节将分别 详细介绍此系统各个部分的构成及功能。 浙江大学硕士学位论文 3 2 测量方案选择 由于本研究课题中应用了不同的激光器( h e - - n e 激光器，钛宝石激光器， 半导体激光器) 作为泵浦光源，所测量的材料对激光能量的吸收也差异很大。因 此，在本实验中三种光热偏转方案都用到了。这三种光热偏转测量方法的原理示 意图如图3 2 1 所示。 索睡瓣i i 光 捌沪喾走7 嗡光毒梦訾 图3 2 1光热偏转光谱技术的三种基本实旌方案 a ) 透射式光热偏转方案b ) 横向法光热偏转方案c ) 反射式光热位移法 根据实验装置图，分别设计了泵浦光路与探测光路，以下就分别论述。 3 3 光路设计 光路部分主要由泵浦光路和探测光路组成。光路部分是光热偏转法测量装置 中非常重要的环节，直接对测量产生重要影响。根据第二章所述的测量原理对测 量装置设计的要求是( 1 ) 为适应不同样品的测量，装置应便于转换光学布置； ( 2 ) 泵浦激光和探测激光之间的偏置距离可相对改变。根据以上原理，在以半 导体激光器作泵浦源的实验中，我们设计了图3 3 1 所示的测量光路。 图3 3 1测量光路示意图 此设计的实验装置可实现横向光偏转检测测量。泵浦激光束经过透镜组l l 聚焦、缩束以后被斩波，斩波后的泵浦光经m l ，m 2 ，m 3 三个平面镜反射后，进入 聚焦镜组l 2 ，l 2 装在一个三维可调的支架上。它可以在平面方向调节，以使m 3 1 9 浙江大学硕士学位论文 反射下来的泵浦光束能全部进入l 2 ，l 2 还可以上下调整，以调节泵浦光焦点的 位置。探测光束装在一个水平方向可以调节的支架上，这样就可以调节泵浦光和 探测光之间的相对位置。样品台固定在电机上，电机可以上下调节，以调节探测 光与样品表面之间的距离z o 。一般而言，泵浦激光器的功率是相当稳定的，若 是有功率漂移，可在斩波器前加一个玻片，反射的光用光电传感器接收，以作信 号的归一化处理。 3 3 1 泵浦光路 泵浦光路由泵浦激光器，反射镜m i ，m 2 ，m 3 ，聚焦缩束透镜组l i ，会聚透镜 组l 2 ，机械斩波器组成。通常，做为激励源的泵浦光在线性范围内，功率越大， 光热信号越大，检测灵敏度越高，所以实验中泵浦光多采用大功率激光器如c 0 2 激光器，a r t 激光器，h e n e 激光器等。c 0 2 激光器输出功率大，加热效果明显， 但是不可见，光路调整困难，且大多数c 0 2 激光器的功率及横模漂移严重，影 响了光热信号的稳定性。a r + 激光器的功率较大( 1 w 左右) ，输出5 1 4 5 n m 的蓝 绿光，易于光路调整，缺点是对其电源电压的稳定度要求较高。h e - - n e 激光器 尽管功率偏小，只有几十毫瓦，但光强、方向性、模式的稳定性都很好，测量重 复性好。但对有些薄膜材料，其产生信号非常小，锁相器难以锁定。后来本实验 应用了半导体激光器，实验证明，半导体激光器输出功率大，加热效果明显，输 出功率与模式都较稳定，并且体积小，是理想的泵浦源。 3 3 2 探测光路 探测光一般要求小功率，这样一方面可以忽略它对样品的加热效应，使问题 简化，另一方面也可防止探测器输出信号饱和，对探测光的另一个要求是，它的 输出强度和方向要稳定，因为探测光束的强度和方向的漂移直接导致探测器接收 到的光热信号中产生噪声。通常探测激光器多选用1 3 m w 的h e n e 激光器、 本实验中选择使用的是浙大光仪厂生产的2 r o w 的h e n e 激光器，其功率漂移 小于3 ，方向性在十米以外观察投影光斑看不出明显的漂移。 本实验装置中采用的探测器是一四象限探测器，在应用中接成双象限探测器 使用。偏转光束同时入射到两个象限中，每个象限实际上是两个光敏元件，每个 元件分别接收偏转光束中的部分能量，图3 3 2 显示出双象限光电探测器的原理 图1 。 浙江大学硕士学位论文 一 j 弋p 厂_ i ? 鄹ln 。 m i 厂 i：t 、 a “ ?7 - ( a )( b ) 图3 3 2 双象限光电探测器的光偏转检测原理 ( a ) 检测电路( b ) 计算光束偏转与探测器输出电压的坐标 每个象限光电元件都处于反向电压偏置，两元件的输出变化使得电流正好是 反向的，因而组成差动输出，当功率为p 的光束入射到响应度为m 的一个象限 上时，光电探测象限将输出光电流i ，负载r 上的输出电压是：v = p m r 。因此， 当探测器光束同时照射两个象限时，差动输出电压为： v = p 1 m l r l p 2 m 2 r 2( 3 3 1 ) 为了使差动输出电压正比于两象限接收功率之差，一般都有m l r = m 2 r 2 。同时， 在探测光束未偏转时，仔细调节双象限光电探测器的位置，让它对准探测光束的 光斑中心，使v = m o r o ( p 1 - - p 2 ) - - - - 0 。 当光热效应使探测器光束偏转中角时，在距离试样d 处的光电探测器上光斑 有一个很小的位移，因为m 很小，d 又较大，于是有 x = 中d 。 对于一高斯探测光束，这时在探测器的象限1 和象限2 上所接收到的光功率 p l 、p 2 分别为： e 2 砉只 b 2 砉g 驴卜，凼砂 2 l 浙江大学硕士学位论文 式中，p o 为探测光束的光功率，a 为探测平面上探测光束半径，s l ，s 2 分别为探 测器的象限的面积，通常，由于光束半径a 比探测器的半径小，故上述积分式中， 探测器边界的积分限可近似的取为无穷远，于是有： 只= 寺b e - 2 y 2 1 a 2 d y j o e - 2 ( x - a x ) 2 a 2 出= 急p 1 一出 b = 二2 。p 。, e - 2 y 2 a 2 咖f e - 2 ( x + a , 0 2 a 2 d x = 接d 。“序d x ( 3 s t 2 ) 式中：x = ) 【一a x ，相应的探测器差动输出电压为： v - m 。r o ( p i - - p 2 ) 2 志异眠民艮“膳出。 由于光热光偏转信号所产生的光斑位移a x 是一个比检测光束半径a 小的多得 量，即a x a ，且p o m o r o = v o 故有： a v ：兰坠血， 2 翮 由于探测器与探测光束焦点之间的距离d 很大，根据高斯光束半径a 与传播距离 之问的关系式：a 2 = a 0 2 1 + ( z z 。) 2 】，得到： d2 d a 口0 2 z c l j t i 0 式中z c - na 0 2 ， 为传播介质中的光波波长，又a x = 中d ，则 a v ：善堑埘：、s n v o a o ( 3 - 3 3 ) 2 石2 d 可见，双象限光电探测器的差动输出正比于光束的偏转角中，而且与试样到 探测器之间的距离d 无关，使探测光点全部落在探测器探测象限之内时与探测光 光点大小a 成正比。 3 4 机构设计 本系统机械结构的设计具有结构紧凑、稳定、精确，易于调整、操作方便等 特点，能很好地适用于光热光偏转检测方法。实验装置的机构主要由泵浦光调节 机构、探测光调节机构、样品平台、信号接收机构等四部分组成，下面就分别给 浙江大学硕士学位论文 予说明。 1 泵浦光调节机构 泵光调节机构主要包括：反射镜座( 架) 、泵浦光光束聚焦装置两组。 1 ) 反射镜座( 架) 实验中选取的反射镜座( 架) 都是可以沿上下左右方向微动调节的，以便于 光路的调整。m l 将水平方向的激光束变为垂直方向的，m 2 再将竖直方向的光束 转为水平方向，m 3 再将水平方向的光束变为垂直向下的光束，进入聚焦透镜组 l 2 。 2 ) 泵浦光束聚焦装置