光热偏转成像实验

侯庆军,娄本浊,李 荣,何军锋,孙庆龙

(1.滨州学院物理系,山东滨州256600;2.陕西理工学院物理系,陕西汉中723003)

1 引 言

光热偏转(photo-thermal deflection)成像技术是近几年发展起来的热波探测技术,它能够快速绘制样品表面的热波图像,为材料热学性能的研究提供了一个重要手段.由于该技术具有非接触、高分辨率,且可以在恶劣的环境下进行在线检测等优点,被广泛应用于生产和工程中[1-4].但目前利用光热偏转技术检测材料时,大多还是采用手动测量,这样不但工作效率低,同时也影响测量精度[5].因此,本文根据光热偏转检测理论设计搭建了热波成像的光热偏转自动化检测系统,实现了数据采集和数据处理的自动化;并利用该系统对直线划痕SrBT样品和三角划痕硅片样品的表面光热偏转图进行了实验测量.

2 光热偏转成像原理

根据光热偏转检测理论,光热偏转信号与四象限位置探测器的电压输出有确定的关系,即当调制频率为ω时,探测光束的偏转角度为[5-6]:

式中Φ为探测光束偏转角,n为气体折射率,T为样品表面温度,P为泵浦光功率,ω为泵浦光的调制角频率,ρ为密度,C为热容量,a为泵浦光在强度1/e处的半径,x0为探测光束距样品表面的距离,α为样品的光学吸收系数,l为探测光穿越折射率梯度区域的长度.

根据(1)式,假设其他值不改变,在样品近表面区域,偏转信号的强度值会随着x0的增大而变大.假如在样品光滑表面进行刻痕,则由于刻痕处距离探测光的距离变大,该处所得到的光热偏转信号强度要比周围的大,通过对样品表面光热偏转成像测量,可以准确描绘出样品表面刻痕的形状,并能够清楚地观察到划痕的位置和深度.

3 光热偏转成像系统

光热偏转成像系统是通过测量样品表面二维区域内的各个点上的光热偏转信号,将数据经图像化处理后,建立被测区域的表面热波图像.

3.1 实验系统

本文设计搭建的实验系统见图1,整套系统固定于WSZ-1光学平台之上.实验供电系统采用大功率交流稳压电源.打开各仪器电源开关,将激光器调整到最佳工作电流,稳定0.5 h后开始实验.基本过程如下:将经金相试样抛光机(P-2,上海顺运贸易有限公司)抛光后样品固定在样品台上,调节样品水平使其表面垂直于由半导体激光器(AmberGreen-500,北京国科世纪激光技术研究所)发出的泵浦光,由氦氖激光器(250 A,天津市光学仪器厂)发出的探测光平行于样品表面掠射,用四象限探测器接收探测光的偏转信号.在无泵浦光照射的情况下,用示波器调整四象限探测器的初始位置,使得探测光在无偏转时刚好打在探测器的中心位置.然后打开泵浦光,反复调节探测光与泵浦光的相对位置,观察锁相放大器(SR850,美国斯坦福研究系统公司)的信号显示,使光热偏转信号处于最大值.最后在控制软件中设置各项参量并控制整个系统进行测量.斩光器的作用是把连续源发出的光调制成按对称方波变化的光信号,便于光电变换后进行选频放大和相干检测.实验中采用由南京大学微弱信号检测技术开发研究中心生产的ND-4型可变频率双参考斩光器.该斩光器除了能对光源进行调制外,还同时输出与调制频率同步的参考电压方波,作为锁相放大器的参考信号,因此特别适用于本实验的激光测量系统.

图1 光热偏转成像系统示意图

样品台固定于步进电机上,并通过步进电机(SC3,北京卓立汉光仪器公司)的移动来改变泵浦光在样品表面照射点的位置.首先把样品表面的某一个二维区域划分成不同数量的点阵,分别测量每个照射点上的光热偏转信号;然后对所有信号进行图像化处理后,建立该二维区域的光热偏转信号的二维和三维图像.步进电机运行过程是:设样品表面扫描二维区域的长度为X,宽度为Y.首先在X方向上移动1个单位的距离,然后采集光热偏转信号,将该数据连同其坐标值写入文本文件中,以此类推每移动1个单位的距离记录1组数据,直到X方向扫描完成,然后步进电机返回到X轴的起始位置,向Y轴移动1个单位的距离,继续上面X方向的扫描,直到整个二维区域扫描完成.这样就得到了该二维区域上光热偏转信号的点阵数据.

在测量中应注意:样品的水平位置的调节对实验结果影响很大,样品表面与泵浦光垂直的同时还要与探测光平行,否则,测量得到的图像会发生一定程度的倾斜;泵浦光与探测光之间相对距离的选取也很重要.本实验中选择光热偏转信号最大值时进行测量,这样选择的好处是该距离测量得到的光热偏转信号最为稳定,降低噪声对有用信号的干扰.

3.2 实验数据处理软件

考虑到Matlab[7-8]在图像处理方面的强大功能,利用Matlab编制了数据处理成像程序.该程序可以读取实验测量过程中采集得到的数据文件,将数据进行归一化处理后,进行编码成像,显示出扫描区域的二维或三维光热偏转图像,图2为该系统数据处理软件流程图.

图2 光热偏转成像系统数据处理软件流程图

本系统实现了数据自动化采集,提高了测量精度和稳定性.控制软件集成了电机控制、锁相放大器参数设定、数据采集以及数据坐标和振幅值的显示等功能,方便了人机交互,便于实时观测和控制.数据处理程序具有稳定性强,运行速度快,图像清晰等优点,并且可显示二维和三维图像,能够随意改变图像的观察角度,使图像更为直观易读.

4 实验结果

在室温为25℃的实验室中,利用光热偏转成像自动测量系统分别绘制了圆型SrBT薄片表面的直线划痕和长方形硅片表面上的三角形划痕的光热偏转图.所设置的各项参量为:锁相放大器的灵敏度为500μV/Pa,时间常量为300 ms,TTL频率为313 Hz;步进电机X方向运行步数为60,Y方向运行步数为60,步距数为5,时间间隔为500 ms.

4.1 SrBT薄片表面的直线划痕

直线划痕材料为厚度1.0 mm、直径8.0 mm的圆型SrBT薄片,表面进行抛光处理后,用刻刀在其表面做1条宽0.1 mm、深0.2 mm的直线划痕.图3为SrBT材料上直线划痕光热偏转图.

图3 SrBT材料直线划痕光热偏转图

4.2 硅片表面的三角形划痕

三角形划痕材料为10 mm×20 mm×1.0 mm的长方形硅片,表面进行抛光处理后,用刻刀在其表面做边长为1.5 mm的三角形划痕.图4为SrBT材料上三角形划痕光热偏转图.

图4 硅片材料三角形划痕光热偏转图

5 结 论

实验结果表明利用本文设计的光热偏转成像系统能够很好地描绘出样品的表面缺陷图像,成像结果清晰直观.此外,由于数据采集和数据处理采用自动化处理,可以快速准确地从热波图像中直观观测到样品表面刻痕的形状和深度,为样品表面形貌分析和样品缺陷分析提供了一种有力便捷的工具.同时由于探测光束偏转幅度Φ还与样品的光学吸收系数α有关,因而该系统还可以用来进行样品的缺陷测量.

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