[发明专利]快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法

说明书

本发明公开了一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法，装置包括水平的样品台和计算机，所述样品台连接高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台，并能分别由二者驱动其运动，所述样品台内设有光学元件的样品；样品台下方设有激光器、图像采集单元，上方设有一共聚焦成像系统。本发明利用一束连续强激光辐照光学元件，元件亚表面缺陷容易受激光激发产生荧光，用高倍率荧光显微成像系统可实现荧光缺陷的二维扫描，获得元件亚表面缺陷的二维分布情况；定位荧光缺陷的位置，利用荧光共聚焦成像系统进行深度扫描，获得光学元件亚表面缺陷的深度分布情况，从而可以实现熔石英元件亚表面缺陷的快速三维测试。

技术领域

本发明涉及一种检测装置及方法，尤其涉及一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法。

背景技术

为了获得最大输出，大型高功率/高能量激光装置都在接近于光学元件损伤阈值的通量下运行，因此光学元件损伤性能尤其重要，是决定这类激光装置输出能力的关键。目前高通量下光学元件的损伤问题大部分都可归结于光学元件亚表面各类缺陷，光学材料经过切割、研磨、抛光等过程加工成光学元件，尽管表面看起来近乎完美无瑕，粗糙度在1nm以下，但其表面和亚表面层不可避免存在亚表面微裂纹和杂质污染等微观缺陷。这些缺陷深度在几微米到数百微米，当激光辐照时会吸收激光能量导致局部材料高温进而引发损伤。研究表明利用氢氟酸刻蚀处理可以有效去除亚表层缺陷，从而大幅度提高光学元件的抗损伤性能，但氢氟酸深度刻蚀会影响光学元件面形、表面疵病及引发再次污染。因此精确有效的测量光学元件亚表层缺陷的三维分布情况是非常必要的，一方面可有利于优化研磨抛光工艺获得高效率加工工艺，另一方面可为酸刻蚀处理提供刻蚀深度等参数，为获得低缺陷高阈值光学元件提供技术支持。

有关光学元件亚表面缺陷的测试有很多，可以分为两大类：有损检测和无损检测。常用的有损检测技术有截面显微法、角度抛光法、逐层抛光刻蚀法、击坑显微法、磁流变抛光法、恒定化学刻蚀速率法等。这些方法都是通过物流或化学的方法将不同深度的缺陷暴露在外面，结合光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等技术获取缺陷信息，这些方法尽管在加工行业普遍采用，但具有效率很低、有破坏性、信息也不全面等缺点。无损检测技术主要包括共聚焦荧光扫描显微技术、全内反射检测技术、光学相干层析技术、激光散射技术等。但共聚焦荧光扫描显微技术速度非常慢，很难实现光学元件亚表层缺陷的三维成像；光学相干层析技术精度太低，难以满足光学元件亚表面缺陷微观尺寸的要求；其它的方法也难以实现光学元件亚表面缺陷的三维成像。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，特别适用于大口径光学元件，能够快速完成光学元件亚表面微观缺陷的三维检测的一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括水平的样品台和计算机，所述样品台连接高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台，并能分别由二者驱动其运动，所述样品台内设有光学元件的样品；

样品背面设有激光器和图像采集单元，正面设有共聚焦成像系统，激光经激光器发出后，依次经光束控制系统、高反射镜单元后投射在样品正面；

所述图像采集单元包括依次连接的CCD、高通滤波器和成像镜头，所述成像镜头正对样品上激光的投射处，用于采集激光投射在样品上激发的荧光图像，经高通滤波器滤波后成像到CCD；

所述共聚焦成像系统也正对样品上激光的投射处，用于采集样品表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

所述图像采集单元、共聚焦成像系统、高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台均与计算机连接，所述计算机获取图像采集单元的图像信号，以及共聚焦成像系统采集的带深度信息的荧光信号进行处理，并控制高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台运动。

作为优选：光路经高反射镜单元后投射在样品表面后的反射方向上，设有一用于吸收残余激光的残余激光收集器，所述高反射镜单元由数个高反射镜构成。