[发明专利]激光共焦/差动共焦振动参数测量方法

权利要求书

1.一种激光共焦/差动共焦振动参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光经准直透镜(2)、第一分束镜(3)、和测量物镜(4)后形成测量光束(5)照射在被测样品(6)上；

b)调整被测样品(6)使其与测量物镜(4)和准直透镜(2)共光轴，使准直透镜(2)出射的平行光束经第一分束镜(3)和测量物镜(4)汇聚成聚焦测量光束(5)，测量光束被被测样品(6)的振动表面调制并被被测样品(6)反射；

c)被测样品(6)反射的光束再经测量物镜(4)后被第一分束镜(3)反射，后被第二分束镜(7)将光分成两路，一路进入共焦振动测量系统(18)形成共焦振动响应信号，另一路进入差动共焦振动测量系统(19)形成差动共焦振动响应信号；

d)在共焦振动测量系统(18)中光束透过位于会聚镜(8)焦面上的针孔(9),并被光电探测器(10)接收；在差动共焦探测系统(19)中光束被第三分束镜(11)分为两束，分别透过位于会聚镜(12)焦点前的针孔(13)和位于会聚镜(15)焦点后的针孔(16)，并被分别位于针孔(13)和针孔(16)后的第一光电探测器(14)和第二光电探测器(17)接收；由共焦振动响应信号或差动共焦振动响应信号均可提取的振动参数；

e)当振动测量时，光路中的共焦振动测量系统(18)和差动共焦振动测量系统(19)均可实现对被测样品的频率、振幅振动参数的测量；在振动测量时，可以从光路系统中去除差动共焦振动测量系统(19)，仅用共焦振动测量系统(18)可实现对被测样品的频率、振幅振动参数的测量；在振动测量时，也可以从光路系统中去除共焦振动测量系统(18)，仅用差动共焦振动测量系统(19)也实现对被测样品的频率、振幅振动参数的测量；

当用共焦振动参数测量系统产生的响应信号测量的振动参数时，包括如下步骤：

a)根据共聚焦轴向响应曲线的特征，在归一化轴向响应曲线I(u)上定义了最优测试区间[-3u₀,-u₀]和[u₀,3u₀]，其中u₀为共焦轴向响应曲线的主瓣上的一点；在最优测试区间上，共焦轴向响应曲线对轴向位移具有最高的灵敏度；针对振幅的不同，将振幅分大、中、小为三种范围，分别为A₀≤u₀、u₀A₀≤3u₀和3u₀A₀≤W.D，使用测量模式一测量振幅A₀≤u₀的振动参数；使用测量模式二测量振幅u₀A₀≤3u₀的振动参数；使用测量模式三测量振幅3u₀A₀≤W.D振动参数；

b)针对振幅为A₀≤u₀的情况，将被测样品放置于测量物镜后方，调整被测样品，使其与测量光束共光轴，同时使振动的最大位移点都位于[-3u₀,-u₀]或[u₀,3u₀]区间中；测量光照射到被测样品表面后被反射，共焦振动测量系统探测到振动响应信号I₁，利用光强值和振动的离面位置一一对应的关系，可利用下式决定被测的归一化振动函数:

I₁＝sinc²(u_t1/2)

其中，u_t1为被测点在物空间的归一化振动函数；利用下式决定被测的实际振动函数:

其中，λ是入射光波长，D是物镜的有效孔径，f是物镜的焦距，z_t1为被测点的振动函数；对z_t1求取一阶导数可以得到被测点的速率函数对z_t1求取二阶导数可以得到被测点的加速度函数；

c)针对振幅为u₀A₀≤3u₀的情况，将被测样品放置于测量物镜后方，调整被测样品，使其与测量光束共光轴，同时使振动的最大位移点分别位于[-3u₀,-u₀]和[u₀,3u₀]区间中；测量光照射到被测样品表面后被反射，共焦振动测量系统探测到振动响应信号I₂，利用光强值和振动的离面位置一一对应的关系，可利用下式决定被测的归一化振动函数:

I₂＝sinc²(u_t2/2)

其中，u_t2为被测点在物空间的归一化振动函数；利用下式决定被测的实际振动函数:

其中，λ是入射光波长，D是物镜的有效孔径，f是物镜的焦距，z_t2为被测点的振动函数；对z_t2求取一阶导数可以得到被测点的速率函数，对z_t2求取二阶导数可以得到被测点的加速度函数；

d)针对振幅为3u₀A₀≤W.D(物镜工作距)的情况，将被测样品放置于测量物镜后方，调整被测样品，使其与测量光束共光轴；设定触发值I_max后进行两次大范围轴向扫描，其中，第一次轴向扫描过程的过程为：驱动物镜由正方向最大位置向负方向最大位置运动，测量光照射到被测样品表面后被反射，共焦振动测量系统探测到振动响应信号，当光强信号首次到达触发值I_max时，记录此时振动的光强响应曲线I_up和物镜的轴向位置z_up，第一次轴向扫描过程结束；第二次轴向扫描过程的过程为：驱动物镜由负方向最大位置向正方向最大位置运动，在进行第二次轴向扫描过程中，测量光照射到被测样品表面后被反射，共焦振动测量系统探测到振动响应信号，当光强信号首次到达触发值I_max时，记录此时振动的光强响应曲线I_down和物镜的轴向位置z_down；第二次轴向扫描过程结束；根据两次光强响应曲线I_up和I_down，两次物镜的轴向位置z_up和z_down，利用下式决定被测的最大离面位置在归一化轴向响应曲线I(u)上的位置u_up和u_down：

I_max＝sinc²(u/2)

利用下式决定被测的振幅信息：

A₀＝0.5·(z_up-z_down+u_up-u_down)

利用I_up或I_down可以决定被测的频率信息。