CN110118782A - 一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪 - Google Patents

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王帅华
吴少凡
徐鸿锋
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined

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Abstract

一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪。本激光层析扫描仪包含探测光源、样品架、测量光路、功率计、显微镜组、CCD探测器以及数据处理软件；其中测量光路要求探测光须完全贯穿样品，贯穿样品后剩余的激光由激光功率计接收；显微镜组在光路的侧面聚焦于样品内的探测光，并收集样品内部缺陷受探测光照射后散射的光，最后成像于CCD的光敏面，在数据处理软件中可以对缺陷的位置和大小进行标注，以及散斑强度的存储和分析；只需通过电机移动样品架来控制探测光在样品内的位置，即可获得样品内部不同层次的缺陷散射强度。

Description

一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪
技术领域
本发明涉及晶体缺陷测量领域，特别涉及一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪。
背景技术
迄今为止，国内外尚未建立上述晶体动态介观缺陷的标准测试方法，市场上也没有商品化的测试仪器。但是，晶体动态介观缺陷对强激光影响的重要性已引起了国内外研究人员的重视，晶体在激光照射下的体吸收问题受到关注。随着高能激光的发展，对晶体材料提出越来越高的要求，而晶体材料由于制造工艺(生长工艺)、原材料杂质的存在，不可避免的存在吸收。相关研究表明，晶体因为体吸收导致内部局部温度升高，100ppm/cm的体吸收系数会导致晶体材料约0.4°的升温，进而导致光学***的不稳定。大的吸收系数是限制晶体材料在高能激光中应用的主要因素之一。吸收系数的测量传统意义上一般采用分光光度计进行研究，但是其测量精度只到0.1％。能测量ppm量级吸收系数的主要技术有：光热共路干涉法、光热偏转法、表面热透镜法、光热辐射技术、激光量热技术以及光声光谱技术等等，其中光热共路干涉法技术相对成熟。利用光热共路干涉法技术测量薄膜吸收特性，已被国内外同行认可和采用，但是测量晶体材料内部吸收的研究相对较少。其他测量方法，尽管有较高的灵敏度，调节却比较困难，而且稳定性较差，难以满足测试手段实用化要求。而动态缺陷观测中很重要的散射性能与应力双折射性能，目前尚未见到研究报道。
本发明研制的仪器，将从吸收、散射、双折射变化三个最重要的参数对介观尺度的动态缺陷进行表征，以获得对介观缺陷动态产生以及动态演变的深入认识，指导晶体材料研制。作为一种实用的测试仪器，除了具有高的测量精度、大的测量范围，还必须具有良好的通用性与扩展性、简便操作方法，能够满足大批量样品的快速测试要求。这也是晶体动态介观缺陷测量仪未来主要的发展方向。
晶体动态介观缺陷测量仪，其主要用于激光和非线性光学晶体动态介观缺陷的测量。强激光在先进制造、国家安全等领域发挥越来越重要的作用，高能、超短、超快和超强激光及应用，已列入我国《国家中长期科学和技术发展规划》。大尺寸优质激光和非线性晶体是强激光及应用，已列入我国《国家中长期科学和技术发展规划》。大尺寸优质激光和非线性晶体是强激光的核心部件，规划中16项重大专项之一“惯性约束聚变点火工程(2020)”的研究目标之一就是研制优质超大尺寸非线性光学晶体。根据强激光应用领域的特殊要去，针对性开展激光和非线性晶体材料的缺陷、吸收等相关基础科学问题的***研究，对我国未来高技术产业和国防建设有“不受制于人”的重大战略意义和现实意义。
激光和非线性光学晶体材料在制备过程中，由于熔体温度波动、籽晶缺陷延伸、原料杂质等因素，导致晶体内部存在多种缺陷。在中小功率激光器中，这些缺陷会导致晶体局部升温，产生热透镜和应力双折射效应，导致激光光束质量劣化、材料性能退化甚至使激光器无法正常工作。缺陷已经成为晶体在强激光领域应用的一个重要制约瓶颈。
根据缺陷产生时间不同，晶体缺陷也可分为静态缺陷和动态缺陷。静态缺陷是在晶体生长、器件制备过程中产生并固化下来的，不随时间和激光负荷而变化，其观测的方法比较多，技术也相对成熟。动态缺陷则是晶体在使用过程中由原先非常微小的特定静态缺陷在外场作用下演变而产生的，并随着激光负荷的变化而变化。动态缺陷严重影响激光性能，但是外场作用一旦撤离，动态缺陷往往又可能减轻甚至恢复，无法后续在静态条件下观测，目前缺乏有效地动态缺陷观测手段。
根据缺陷尺寸的大小，晶体缺陷可分为宏观(mm级)、介观(μm级)、微观(nm级)，其中宏观缺陷检测方法很多，且技术成熟；微观缺陷尺寸太小，对激光影响较小；介观缺陷由于尺度与激光波长相近，其对激光性能的影响最大，但是缺乏成熟的观测方法。
由于缺乏“动态、介观”晶体缺陷必要的观测手段，研究人员在晶体材料制备过程中一般不针对性的进行制备技术改良。近年来，随着强激光技术的发展，采用常规方法制备的激光和非线性晶体已经无法满足其使用要求，如：LBO(三硼酸锂)的体吸收导致区域光束质量劣化问题，KTP(磷酸钛氧钾)的激光诱导灰迹问题，原生多段钒酸盐复合晶体的复合界面吸收问题，KDP(磷酸二氢钾)的复合生长纹问题。根据前期研究，上述问题与晶体的动态介观缺陷密切相关。晶体动态介观缺陷的消除，已经成为高能激光发展的重要方向之一。
实现晶体动态介观缺陷的形态、位置和分布密度等参数的精确测量，是消除缺陷的首要前提条件。迄今为止，国内外尚未建立晶体动态介观缺陷的标准测试方法，市场上也没有商品化的测试仪器。科研人员一般是采用非外场负荷的方法，静态测试晶体性能，来大致判断晶体在激光器中实际工作中的光学特性，但是用这些方法得到的结果与激光器实际工作条件下的晶体性能有很大差异，而且都是非定量测试，不同观测者得到的测试结果相互间不具备可比性，这使得晶体材料的动态介观缺陷的研究、测量缺乏统一的标准，大大制约了相关晶体材料的研究和发展。
发明内容
本发明的目的是为了实时测量晶体内部不同断面和层次的介观缺陷，其实现方式是一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，所述的所述激光层析扫描仪包括探测光源、样品架、测量光路、功率计、显微镜组、CCD探测器以及数据处理软件；其中测量光路要求探测光须完全贯穿样品，贯穿样品后剩余的激光由激光功率计接收；显微镜组在光路的侧面聚焦于样品内的探测光，并收集样品内部缺陷受探测光照射后散射的光，最后成像于CCD的光敏面；只需通过电机移动样品架来控制探测光在样品内的位置，即可获得样品内部不同层次的缺陷散射强度；所述测量方法属于轴向的线测量，样品的两个轴向端面以及两个侧面须要抛光；样品架为由电机控制的可以精密三维移动的调整架，最小步长为0.1mm；所述探测光源功率范围为1～10mW，显微镜组放大倍率调整范围为0.75x～5x，CCD探测器时间分辨率为50ms。
附图说明
图1为用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪的示意图。其中1为泵浦光源，2为电动三维样品架，3为样品，4为散射测量显微镜组及成像CCD，5为功率计。
具体实施方式
首先须将激光晶体样品的两个端面及两个侧面进行抛光；
将抛光后的晶体样品放置在样品架上；
测试光源采用功率为10mw的氦氖激光器；
测试光源通过测试光路，探测光源功率通过光功率计记录；
将显微镜组聚焦于晶体内的测试光路，并调整好高度；
调整样品架，通过调整样品架使激光聚焦于样品上，通过CCD读取缺陷散斑的强度值；
在数据处理软件可以对缺陷位置和大小进行标注，以及散斑强度的存储和分析。
通过电机驱动样品进行三维移动，即可扫描出整块样品的三维分布。

Claims (8)

1.一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述激光层析扫描仪包括探测光源、样品架、测量光路、功率计、显微镜组、CCD探测器以及数据处理软件；其中测量光路要求探测光须完全贯穿样品，贯穿样品后剩余的激光由激光功率计接收；显微镜组在光路的侧面聚焦于样品内的探测光，并收集样品内部缺陷受探测光照射后散射的光，最后成像于CCD的光敏面；只需通过电机移动样品架来控制探测光在样品内的位置，即可获得样品内部不同层次的缺陷散射强度。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述测量方法属于轴向的线测量。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述样品的两个轴向端面须要抛光。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述样品的两个侧面须要抛光。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述样品架为由电机控制的可以精密三维移动的调整架，最小步长为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述探测光源功率范围为1～10mW。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述显微镜组放大倍率调整范围为0.75x～5x。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量晶体内部介观缺陷散射的激光层析扫描仪，其特征在于，所述CCD探测器时间分辨率为50ms。
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