CN102680407B - 一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法及装置，首先将泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组照射被测样品表面引起被测样品局部表面变形；将探测光也分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组照射被测样品表面，每一束探测光束对应与一束泵浦光束重合；由被测样品出射的探测光束组最后进入光电探测器，通过测量表面热形变引起的探测光束传播特性的变化，获得材料表面特性的二维图像。本发明在成像速度上比传统的对样品逐点扫描方法可以有很大提高，另外由于无需进行逐点扫描，具体检测及成像仪器设计可以避免使用移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及光热检测技术领域，具体是一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法及装置。
背景技术
利用激光诱导表面热形变效应进行检测的基本原理是基于材料在光（以下称泵浦光）的作用下表面因吸收光能量导致局部温度升高，从而发生形变。这种热形变的空间分布及其随时间的变化与泵浦光参数和材料特性紧密相关。而且，由于这种表面热形变，从材料表面反射出来的光的传播特性会发生变化，产生会聚或发散效应，就像新增加了一个透镜。因此，这种表面热形变效应又称为表面热透镜效应。
利用表面热形变效应进行材料特性检测和分析的最为常见的方法是利用一束振幅经过调制的泵浦光照射被测样品表面诱导产生热形变，同时利用另一束探测光经过样品表面热形变区域来探测泵浦光引起的表面热形变。测量时，在反射回来的探测光光路中加入一个空间滤波器，经过空间滤波器后到达光电探测器的探测光能量会因为表面热形变对探测光的会聚或发散效应而变化。实际测量中，为提高响应，通常需要利用锁相技术。而对样品的二维成像则是通过对样品进行逐点扫描来获得。这种二维扫描成像方法可以获得较高的分辨率，在远场测量条件下近似受限于泵浦光/探测光的衍射极限，比较容易达到亚微米量级。
但是，这种二维扫描成像方法在实际应用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信号较弱，对每一个样品点都要进行一定时间的锁相积分；另一方面，样品每次移动都需要花费一定的移动和等待时间，后者是为了使整个***从机械震动到局部温度都能达到新的平衡。这样一般情况下获得一幅5微米横向分辨率的500微米x 500微米的图像需要近一小时的时间。如果样品吸收微弱，则要增加积分时间，成像时间就会更长。这个缺点极大地限制了该技术的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法及装置，解决利用表面热透镜效应进行二维成像过程中需要逐点扫描，从而耗时过长的问题。
本发明的技术方案为：
一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法，包括以下步骤：
（1）、将泵浦光源发出的泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组经会聚后照射被测样品表面，泵浦光束组的每一束泵浦光在被测样品照射区域引起了相应的局部表面形变；
（2）、将探测光源发出的探测光分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经会聚后照射被测样品表面，且探测光束组的每一束探测光均与泵浦光束组的每一束泵浦光对应在空间上重合；
（3）、由被测样品出射的探测光束组反射到探测光聚焦透镜后再经过空间滤波器和探测光滤光片，最后进入光电探测器，通过测量表面热形变引起的探测光束传播特性的变化获得材料表面特性的二维图像。
所述的步骤（1）中经泵浦光衍射分光装置后得到的泵浦光束组再经过调制器后，每一束泵浦光束的调制频率各不相同，此泵浦光束组再经会聚后照射被测样品表面；所述的用于检测探测光的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。
对经过空间滤波器的探测光束的检测可以有两种不同的方法，具体描述如下：
方法一： 对经过空间滤波器的探测光束组用一个光电探测器来进行检测。这样在单一光电探测器上或得的信号是整个探测光束组信号的叠加，是样品上同时被测的多个区域信息的混合。 要想利用一个光电探测器实现二维成像，需要每一束探测光产生的信号在探测器上是可分辨的。。这可以通过对每一束泵浦光施加不同频率的调制，再在探测端，利用锁相检测及频率扫描技术，就可以把每一束泵浦光造成的表面热形变信号（像素）分辨出来，从而不通过逐点扫描就可以获得二维表面热形变信号图像。
方法二：对从空间滤波器阵列出射的探测光束阵列用光电探测器阵列来进行检测，即每一束探测光分别对应进入一个光电探测器。这样在每一个光电探测器上的信号对应样品上每一点，从而无需对样品进行扫描就可以获得二维表面热形变信号图像。这种情况下泵浦光的调制频率可以是相同的，也可以是不同的。在探测终端，利用并行处理电路来进行处理，就可以把每一束泵浦光造成的表面热形变信号（像素）分辨出来。
所述的泵浦光源发射光路径和探测光源发射光的路径不同，所述的泵浦光束组经分色镜一输入端输入后和所述的探测光束组经分色镜另一输入端输入后均经分色镜输出端输出，并经同一聚焦成像透镜会聚后照射于被测样品表面。
一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置，包括有泵浦光源和探测光源，位于泵浦光源和探测光源后端的样品台和顺次设置的空间滤波器、探测光滤光片和光电探测器；从所述的泵浦光源至样品台之间顺次设置有泵浦光衍射分光装置、分色镜和聚焦成像透镜；从所述的探测光源至样品台之间顺次设置有探测光衍射分光装置、偏振分光镜、四分之一波片、分色镜和聚焦成像透镜；所述的四分之一波片设置于偏振分光镜一输出端的后端；所述的空间滤波器设置于偏振分光镜另一输出端的后端；所述的光电探测器为光电探测器阵列。
所述的泵浦光衍射分光装置和分色镜之间设置有阵列光调制器，所述的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。
所述的基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置还包括有探测光聚焦透镜，所述的探测光聚焦透镜设置于偏振分光镜和空间滤波器之间或设置于空间滤波器的后端。
本发明的优点：
本发明在成像速度上比传统的对样品进行逐点扫描方法可以有很大提高，另外由于无需进行逐点扫描，具体检测及成像仪器设计可以避免使用移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。
附图说明
本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
见图1，一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置，包括有泵浦光源1和探测光源2，位于泵浦光源1和探测光源2后端的样品台3，顺次设置于泵浦光源1至样品台3之间的泵浦光衍射分光装置4、阵列光调制器5、分色镜6和聚焦成像透镜7，顺次设置于探测光源2至样品台3之间的探测光衍射分光装置8、偏振分光镜9、四分之一波片10、分色镜6和聚焦成像透镜7，顺次设置于偏振分色镜9的后端的探测光聚焦透镜11、空间滤波器12、探测光滤光片13和光电探测器14；其中，四分之一波片10设置于偏振分色镜9透射输出端的后端；探测光聚焦透镜11设置于偏振分光镜9反射输出端的后端。探测光滤光片13的作用为遮挡杂散光，理论上只有探测光可以通过。
见图1，一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法：包括以下步骤：
（1）、将被测样品15至于样品台3上；
（2）、泵浦光源1发出的泵浦光经泵浦光衍射分光装置4分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组再经阵列光调制器5后或得调制，每一束光的调制频率可以视探测终端的具体情况来确定：如果使用单一光电调制器，则每一束光的调制频率各不相同；如果使用光电探测器阵列，则每一束光的调制频率可以相同；此泵浦光束组再经分色镜6反射，并通过聚焦成像透镜7后会聚后照射被测样品15表面，泵浦光束组的每一束泵浦光在被测样品15照射区域引起了相应的局部表面变形；
（3）、探测光源2发出的探测光经探测光衍射分光装置8分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组依次经偏振分光镜9、四分之一波片10、分色镜6，然后由聚焦成像透镜7会聚后照射被测样品15表面，且探测光束组的每一束探测光均与泵浦光束组的每一束泵浦光在空间上重合；
（4）、由被测样品15反射出来的探测光束组，再经过聚焦成像透镜7、分色镜6、四分之一波片10，然后由偏振分光镜9反射并经探测光聚焦透镜11会聚调整、经过空间滤波器12、探测光滤光片13后进入光电探测器14测得探测光二维表面热形变信号图像。光电探测器14的输出信号利用锁相检测技术探测。此时，以与某一被调制的泵浦光束的调制频率相同的交流信号作为锁相检测的参考信号，这样只有该泵浦光束诱导产生的表面热形变信号能够被锁相放大器测出，其它泵浦光束诱导产生的信号都被滤掉。依次改变参考信号的频率，就可以获得对应的泵浦光束激发的表面热形变信号。再根据泵浦光束的编号以及对应测得的信号，获得空间分辨的二维图像。
实际使用中也可以利用多个模拟-数字转换电路或锁相放大器对每一束探测光进行并行测量，以节省依次改变参考信号进行测量的时间，进一步提高成像速度。
Claims (6)
1.一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将泵浦光源发出的泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组经会聚后照射被测样品表面，泵浦光束组的每一束泵浦光在被测样品照射区域引起了相应的局部表面形变；
（2）、将探测光源发出的探测光分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经会聚后照射被测样品表面，且探测光束组的每一束探测光均与泵浦光束组的每一束泵浦光对应在空间上重合；
（3）、由被测样品出射的探测光束组反射到探测光聚焦透镜后再经过空间滤波器和探测光滤光片，最后进入光电探测器，通过测量表面热形变引起的探测光束传播特性的变化获得材料表面特性的二维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法，其特征在于：所述的步骤（1）中经泵浦光衍射分光装置后得到的泵浦光束组再经过调制器后，每一束泵浦光束的调制频率各不相同，此泵浦光束组再经会聚后照射被测样品表面；所述的用于检测探测光的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像方法，其特征在于：所述的泵浦光源发射光路径和探测光源发射光的路径不同，所述的泵浦光束组经分色镜一输入端输入后和所述的探测光束组经分色镜另一输入端输入后均经分色镜输出端输出，并经同一聚焦成像透镜会聚后照射于被测样品表面。
4.一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置，包括有泵浦光源和探测光源，位于泵浦光源和探测光源后端的样品台和顺次设置的空间滤波器、探测光滤光片和光电探测器；其特征在于：从所述的泵浦光源至样品台之间顺次设置有泵浦光衍射分光装置、分色镜和聚焦成像透镜；从所述的探测光源至样品台之间顺次设置有探测光衍射分光装置、偏振分光镜、四分之一波片、分色镜和聚焦成像透镜；所述的四分之一波片设置于偏振分光镜一输出端的后端；所述的空间滤波器设置于偏振分光镜另一输出端的后端；所述的光电探测器为光电探测器阵列。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置，其特征在于：所述的泵浦光衍射分光装置和分色镜之间设置有阵列光调制器，所述的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。
6.根据权利要求4所述的一种基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置，其特征在于：所述的基于激光阵列诱导表面热形变效应的成像装置还包括有探测光聚焦透镜，所述的探测光聚焦透镜设置于偏振分光镜和空间滤波器之间或设置于空间滤波器的后端。
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