[发明专利]光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及光学元件表面及亚表面缺陷的检测方法领域，具体是一种光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置。

背景技术

在高功率或者高能量的强激光系统及其应用过程中，光学元件的激光破坏阈值常常是制约相关系统运行水平的关键因素。这些光学元件的激光破坏阈值常常远低于用来制作该元件的材料本征破坏阈值。以用于激光惯性约束核聚变系统中的大口径熔融石英元件为例，其在355纳米紫外激光波段的破坏阈值远低于用来制作该元件的纯石英材料的本征阈值，是制约相关系统设计和研发的关键因素之一。发生这种现象的主要原因是在光学元件的加工过程中，如切割、研磨、抛光等，不可避免的会引入各种缺陷和污染，特别是在元件的表面及亚表面区域，导致其表面及亚表面的光学质量往往比相关材料的本征特性差得很多，从而使得相关元件的表面及亚表面在强激光应用中成为限制元件性能的瓶颈，成为最容易发生激光破坏的薄弱环节。

光学元件表面及亚表面缺陷的检测方法有很多，包括光学显微镜，光学散射检测方法，激光激发荧光测量方法，原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜，以及光声显微镜及光热显微镜等。但以上大多数检测方法只对一些样品上的面形缺陷及折射率不均匀性能够进行有效检测，对于在激光破坏过程中经常起关键作用的很多吸收缺陷并不敏感。

目前，常用的针对吸收缺陷的检测的方法有激光诱导光热辐射检测技术。该技术可分为两大类。第一类是利用单点探测器，通过逐点扫描来进行显微成像，从而获得样品的二维图像。该方法的优点是每一点信噪比好，检测灵敏度高，成像的分辨率决定于激发激光光斑，也可以做到较高，比如在355纳米泵浦激光波长条件下可以比较容易地获得亚微米横向分辨率；缺点是成像需要对样品进行逐点扫描，成像速度很慢。对大口径光学元件来说，该方法难以满足实际需求。第二类是利用红外探测器阵列（例如红外相机等）直接获得样品的二维图像。该方法的优点是成像速度快；缺点是成像分辨率取决于红外探测器阵列及其相关红外成像系统，与逐点扫描方法相比，分辨率较低，灵敏度也较低，对微弱吸收缺陷无法有效识别。

综上所述，目前尚没有一种良好的检测方法能够用来直接探测大口径光学元件的表面及亚表面吸收缺陷，特别是吸收比较微弱的透明光学元件的表面及亚表面吸收缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法及装置，将红外成像技术与锁相放大检测技术结合，通过利用受调制的泵浦激光激发样品产生周期性红外辐射，利用红外探测阵列来探测所产生的红外辐射，并对红外探测阵列的信号进行锁相放大检测，获得有关样品缺陷的高分辨的图像信息，同时利用所激发的红外辐射在选定波段对一些光学材料穿透深度非常有限的物理特性来排除样品体内红外信号对检测结果的影响，从而只对光学元件样品表面及亚表面的吸收缺陷分布进行成像检测。

本发明的技术方案为：

光学元件表面及亚表面缺陷检测红外锁相成像方法，包括以下步骤：

（1）、用经过调制的泵浦光束照射元件的前表面，此泵浦光束入射到光学元件内部并从后表面出射，光学元件的前表面及前亚表面区域、内部区域、后表面及后亚表面都会因为光学元件对泵浦光束能量的吸收而产生局部温度升高并进而产生红外辐射；

（2）、光学元件的前表面及前亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的前表面设置的第一红外成像装置收集、并经过第一红外滤波装置滤波后入射到第一红外探测器阵列上进行成像探测分析，第一红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第一红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测；

（3）、光学元件的后表面及后亚表面区域的红外辐射由相对光学元件的后表面设置的第二红外成像装置收集、并经过第二红外滤波装置滤波后入射到第二红外探测器阵列上进行探测分析，第二红外探测器阵列进行探测的时候，用调制泵浦光的同样的调制信号作为锁相放大检测装置的参考信号，用锁相放大检测装置对第二红外探测器阵列获得的信号进行锁相放大检测以实现高灵敏探测。

所述的光学元件前、后表面进行分区域的二维扫描，从而实现对光学元件表面全覆盖的成像检测。