基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置与方法

1.本发明涉及光学精密测量技术技术领域，更具体的说是涉及基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置与方法。


背景技术：

2.高性能光学元件及光学材料在精密仪器制造和重大光学工程研究中有着广泛的应用，是光学系统性能的根基，而光学元件及光学材料表面和亚表面中的机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷对高分辨率精密检测起着重要的作用，其中，光学元件的手性结构缺陷影响突出，主要表现为严重影响入射光束的光场分布情况，降低光斑质量。
3.目前，暗场共焦显微测量技术为光学元件无损三维检测的重要手段，且具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率以及暗背景带来的较高成像对比度等优势，但普通光学暗场共焦显微测量技术仅能实现样品的几何缺陷检测，如划痕、气泡等，而无法获取缺陷的手性检测。
4.因此，提出一种暗场共焦显微测量装置与方法，以更准确地实现缺陷识别及分类，以及更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明所要解决的问题是提供一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置和方法，通过直接分析单一圆偏振泵浦光激发下的热波散射信号，提取亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等几何缺陷的三维分布信息；通过分析左右旋圆偏振泵浦光激发下的热波散射信号差值，获取微纳结构的手性信息。通过本发明提供的测量装置及方法，解决了普通暗场共聚焦技术成像模式单一的问题，突破了无法获取缺陷的多种物性的应用瓶颈。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一方面，本发明公开了一种基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置，包括时分复用圆偏光产生模块、热波探测光整形模块、热波泵浦光产生模块、光束照明模块和暗场非线性热波探测模块；
8.所述时分复用圆偏光产生模块通过偏振光栅将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光分别经声光调制器调制后，进入光纤耦合器耦合，得到耦合的光束；
9.所述热波探测光整形模块用于将所述耦合的光束整形成环形光；
10.所述热波泵浦光产生模块用于产生热波泵浦光，所述热波泵浦光具有和所述左旋圆偏光以及所述右旋圆偏光相同强度的分量；
11.所述光束照明模块利用所述环形光和所述热波泵浦光合束后的光束对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；
12.所述暗场非线性热波探测模块用于过滤出所述扫描后的光束中的热波散射光，所
述热波散射光经锁相放大器探测后得到暗场热波信号，对所述暗场热波信号进行解调得到圆二向色性暗场热波成像结果。
13.优选的，所述时分复用圆偏光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器一1、半波片一2、偏振光栅3，所述偏振光栅3用于分光产生左旋圆偏光和右旋圆偏光，所述左旋圆偏光的光路依次包括：反射镜一4、声光调制器一6、光纤准直镜一8，所述右旋圆偏光的光路依次包括反射镜二5、声光调制器二7、光纤准直镜二9；所述左旋圆偏光的光路和所述右旋圆偏光的光路输出的光束经光纤耦合器10耦合后，由光纤准直镜三11传播至所述热波探测光整形模块。
14.优选的，所述声光调制器一6和所述声光调制器二7，用于将所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光调制成脉冲形式，周期为t，其中，所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏间延时t/2，所述t大于所述锁相放大器积分时间。
15.优选的，所述热波探测光整形模块按照光线传播方向依次包括：反射镜三12、扩束器13、孔径光阑一14和锥透镜组15。
16.优选的，所述锥透镜组15由两个锥透镜组成，两个锥透镜以背对背方式安装。
17.优选的，所述热波泵浦光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器二16、斩波器17、半波片二18、偏振片19和二向色镜20；所述斩波器17用于对所述激光器二16射出的热波泵浦光进行调制，调制频率为f，所述二向色镜20将经调制的所述热波泵浦光和所述环形光合束后传播至所述光束照明模块。
18.优选的，所述光束照明模块按照光线传播方向依次包括：孔径光阑二21、非偏振分束器22、物镜23、待测样品24和三维载物台25；所述待测样品反射的扫描后的光束依次经所述物镜23、所述非偏振分束器22反向传播至所述暗场非线性热波探测模块。
19.优选的，所述暗场非线性热波探测模块按照光线传播方向依次包括：滤光片26、孔径光阑三27和收集透镜28、单模光纤29、光电探测器30和锁相放大器31，所述锁相放大器31的探测频率为2f，积分时间为t，其中，t》2/f。
20.优选的，所述解调过程为根据所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光的占空比分别提取所述热波散射光中所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光照明下的热波暗场数据，作差后得到圆二向色性暗场热波成像结果。
21.另一方面，本发明还公开了一种基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量方法，该方法基于如前所述的任意一种基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置，具体步骤包括：
22.s1、通过所述时分复用圆偏光产生模块将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，将其调制成脉冲波后进行耦合；
23.s2、所述热波探测光整形模块将耦合的光束整形成环形光；
24.s3、通过所述热波泵浦光产生模块生成热波泵浦光，所述热波泵浦光具有和所述左旋圆偏光以及所述右旋圆偏光相同强度的分量；
25.s4、所述环形光和所述热波泵浦光合束后通过所述光束照明模块对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；
26.s5、所述扫描后的光束经所述暗场非线性热波探测模块过滤后，得到热波散射光，根据所述热波散射光得到暗场热波信号，并对所述暗场热波信号进行解调，得到圆二向色
性暗场热波成像结果。
27.经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置和方法，与现有技术相比，其实现的有益效果至少包括：
28.通过直接分析单一圆偏振泵浦光激发下的热波散射信号，可提取亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等几何缺陷的三维分布信息；通过左右旋圆偏光照明并对热波散射信号进行圆二向色性分析，可实现对吸收型缺陷的手性检测；
29.本发明的另一有益效果为：采用暗场探测方式进行热波成像，提高了吸收缺陷的成像灵敏度，同时采用非线性热波检测，提升了成像的分辨率。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
31.图1附图为本发明提供的圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置结构示意图。图2附图为本发明基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量方法流程图。
32.附图标记说明：
33.1激光器一、2半波片一、3偏振光栅、4反射镜一、5反射镜二、6声光调制器一、7声光调制器二、8光纤准直镜一、9光纤准直镜二、10光纤耦合器、11光纤准直镜三、12反射镜三、13扩束器、14孔径光阑一、15锥透镜组、16激光器二、17斩波器二、18半波片二、19偏振片、20二向色镜、21孔径光阑二、22非偏振分束器、23物镜、24待测样品、25三维载物台、26滤光片、27孔径光阑三、28聚焦透镜、29单模光纤、30光电探测器和31锁相放大器。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明公开的基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置与方法，不仅在一定程度上提升了暗场检测的灵敏度，而且通过非线性热波成像的方式能够检测样品的吸收型缺陷，通过热波信号的圆二向色性分析可进一步获取微纳结构的手性信息，为微纳结构检测提供一种新的途径。
36.具体的，本发明实施例首先公开了一种基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置，其结构主要包括时分复用圆偏光产生模块、热波探测光整形模块、热波泵浦光产生模块、光束照明模块和暗场非线性热波探测模块；
37.其中，时分复用圆偏光产生模块通过偏振光栅将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，左旋圆偏光和右旋圆偏光分别经声光调制器调制后，进入光纤耦合器耦合，得到耦合的光束；
38.热波探测光整形模块用于将耦合的光束整形成环形光；
39.热波泵浦光产生模块用于产生热波泵浦光，其中，热波泵浦光具有和左旋圆偏光以及右旋圆偏光相同强度的分量；
40.光束照明模块利用环形光和热波泵浦光合束后的光束对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；
41.进一步，暗场非线性热波探测模块用于过滤出扫描后的光束中的热波散射光，并根据热波散射光得到暗场热波信号，对所述暗场热波信号进行解调，得到圆二向色性暗场热波成像结果。
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1对本发明作进一步详细的说明。
43.首先，时分复用圆偏光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器一1、半波片一2、偏振光栅3、反射镜一4、反射镜二5、声光调制器一6、声光调制器二7、光纤准直镜一8、光纤准直镜二9、光纤耦合器10和光纤准直镜三11；
44.具体的，激光器一1射出的偏振激光作为热波探测光，在一种实施例中，所发激光光束波长为488nm-532nm，然后利用偏振光栅3分束，上下两路分别为左右旋圆偏光，并通过半波片一2控制入射光束的偏振态方向，使分光产生的所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光在分量上保持相同的强度；然后经反射镜一4和反射镜二5将两路光束传播方向调节至平行于主光轴后，通过声光调制器一(6)和声光调制器二(7)将光束调制脉冲形式周期为t，其中，所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏间延时t/2，且周期t大于锁相放大器31积分时间，以实现锁相放大器在同一积分周期内，左旋圆偏光和右旋圆偏光交替进行照明，且在同一时刻光路中只有左旋或者右旋圆偏光。
45.在一种实施例中，将光束调制为方波，占空比为50％，上下两路存在时间延迟为0.5t。
46.调制后的左右旋圆偏光分别由光纤准直镜一8和光纤准直镜二9连接光纤耦合器10的两个输入端，并由光纤准直镜三11输出平行光。
47.之后，平行光进入热波探测光整形模块；
48.热波探测光整形模块按照光线传播方向依次包括：反射镜三12、扩束器13、孔径光阑一14和锥透镜组15；
49.孔径光阑一14用于将经扩束器13扩充的光束重新调制至所需内径，一种实施例中，将内径调节至小于物镜23的通光孔径，两者相差约1mm；而锥透镜组(15)由两个锥透镜组成，两个锥透镜以背对背方式安装，将光束整形为环形光；
50.此时，通过热波泵浦光产生模块产生热波泵浦光，在样品中，泵浦光对折射率产生周期性调制，即为热波信号，对热波探测光产生相位调制，从而使热波探测光产生周期性的强度变化，进而通过锁相放大器检测以提高缺陷检测的灵敏度。
51.热波泵浦光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器二16、斩波器17、半波片二18、偏振片19和二向色镜20；
52.激光器二16射出的偏振激光作为热波泵浦光，一种实施例中，所发激光光束波长为405nm，由斩波器二17对热波泵浦光光强进行调制，且一种实施例中，调制频率为f；进一步，调制后的热波泵浦光，其偏振态由半波片二18和偏振片19调节至与左右旋圆偏光分量
上强度相同。
53.最后，经热波探测光整形模块输出的环形光与调节完成的热波泵浦光通过二向色镜20进行合束，合束后进入光束照明模块。
54.对于光束照明模块，按照光线传播方向依次包括：孔径光阑二21、非偏振分束器22、物镜23、待测样品24和三维载物台25；
55.孔径光阑二21将光束尺寸调节至与物镜通光孔径相匹配，光束通过物镜23对放在三维载物台25上待测样品24进行扫描，而后，物镜收集的光束进入暗场非线性热波探测模块中；
56.暗场非线性热波探测模块按照光线传播方向依次包括：滤光片26、孔径光阑三27和收集透镜28、单模光纤29、光电探测器30和锁相放大器31。
57.物镜收集的光束经非偏振分束器二22反射后，首先由滤光片二26滤除热波泵浦光，保留热波探测光；而后由孔径与热波探测环形光互补的孔径光阑三27隔离反射的热波探测光，只允许携带待测样品24信息的热波热波散射光通过，热波热波散射光经聚焦透镜28聚焦后进入单模光纤29；单模光纤29输出信号由光电探测器30收集进行检测，以获取热波信号，进一步，光电探测器30的输出信号接入锁相放大器31中，由锁相放大器31对热波信号进行探测，以得到暗场热波信号，由于锁相放大器31探测的是非线性信号，相当于热波的二次谐波，因此，锁相放大器31的探测频率设置为2f，同时积分时间设置为t，其中t》2/f，以保证锁相放大器31接收到整个周期的信号，避免提取周期信号的强度存在失真。
58.最后，对所述暗场热波信号进行解调，得到圆二向色性暗场热波成像结果。具体解调过程为根据左旋圆偏光和右旋圆偏光的占空比分别提取热波散射光中左旋圆偏光和右旋圆偏光照明下的热波暗场数据，作差后得到圆二向色性暗场热波成像结果。
59.在一种实施例中，三维载物台25扫描点数为n*n，每个点停留时间为t，且如上所述，左右旋圆偏光的占空比为50％，此时，提取0.5t、1.5t、
…
、(n2-0.5)t时刻的锁相放大器31输出为左旋光照明下的热波暗场数据，提取0、t、2t、
…
、(n2-1)t时刻的锁相放大器31输出为右旋光照明下的热波暗场数据，两者作差后排列成n*n的二维数组，即为圆二向色性暗场热波成像结果。
60.另一方面，本发明在基于圆二向色性的暗场非线性热波共焦显微测量装置的基础之上，还提供了一种测量方法，主要包括如下步骤，如图2所示：
61.s1、通过时分复用圆偏光产生模块将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，将其调制成脉冲波后进行耦合；
62.s2、热波探测光整形模块将耦合的光束整形成环形光；
63.s3、通过热波泵浦光产生模块生成热波泵浦光，热波泵浦光具有和左旋圆偏光以及右旋圆偏光相同强度的分量；
64.s4、环形光和热波泵浦光合束后通过光束照明模块对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；
65.s5、扫描后的光束经暗场非线性热波探测模块过滤后，得到热波散射光，根据热波散射光得到暗场热波信号，并对暗场热波信号进行解调，得到圆二向色性暗场热波成像结果。
66.在一种实施例中，参阅附图1，该检测步骤可具体为如下：
67.步骤a、激光器一1出射热波探测光光束，经偏振光栅3分束，上下两路分别为左右旋圆偏光，半波片一2调节左右旋圆偏光，使其光强相同；
68.步骤b、反射镜一4和反射镜二5调节两路光束传播方向平行于主光轴，并在两路中分别使用声光调制器一6和声光调制器二7调制光波在时域上为方波，周期为t，方波之间存在延时为0.5t；
69.步骤c、上下两路光束分别由光纤准直镜一8和光纤准直镜二9耦合进光纤耦合器10两个输入端，输出端接光纤准直镜三11输出平行光；
70.步骤d、光束由孔径光阑一14调节光束直径后入射由两个锥透镜背对背放置组成的锥透镜组15，调制为环形光；
71.步骤e、激光器二16输出热波泵浦光，由斩波器二17进行强度调制，调制频率f；
72.步骤f、半波片二18和偏振片19调节热波泵浦光与左旋圆偏光分量具有相同的强度；
73.步骤g、热波泵浦光与热波探测光由二向色镜20严格合束，输入后续光路，并由孔径光阑二21调节光斑外径与物镜23通光孔径匹配；
74.步骤h、暗场平衡探测模块的信号路中，物镜23收集的热波探测光的反射和热波散射光由非偏振分束器22反射后由滤光片26滤出，经过孔径光阑三27隔离环形反射光，保留中心热波散射光，由聚焦透镜28聚焦进单模光纤29；
75.步骤i、将单模光纤29接入光电探测器30进行暗场热波信号检测；
76.步骤g、将光电探测器30的检测信号输入锁相放大器31，锁相放大器31工作频率设置为2f，用于探测左右旋圆偏振热波泵浦光激发下的非线性热波暗场信号；
77.步骤k、根据时序解调非线性手性热波暗场信号，得到圆二向色性暗场热波成像结果。
78.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
79.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，包括时分复用圆偏光产生模块、热波探测光整形模块、热波泵浦光产生模块、光束照明模块和暗场非线性热波探测模块，所述时分复用圆偏光产生模块通过偏振光栅将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光分别经声光调制器调制后，进入光纤耦合器耦合，得到耦合的光束；所述热波探测光整形模块用于将所述耦合的光束整形成环形光；所述热波泵浦光产生模块用于产生热波泵浦光，所述热波泵浦光具有和所述左旋圆偏光以及所述右旋圆偏光相同强度的分量；所述光束照明模块利用所述环形光和所述热波泵浦光合束后的光束对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；所述暗场非线性热波探测模块用于过滤出所述扫描后的光束中的热波散射光，所述热波散射光经探测后得到暗场热波信号，对所述暗场热波信号进行解调得到圆二向色性暗场热波成像结果。2.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述时分复用圆偏光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器一(1)、半波片一(2)、偏振光栅(3)，所述偏振光栅(3)用于分光产生左旋圆偏光和右旋圆偏光，所述左旋圆偏光的光路依次包括：反射镜一(4)、声光调制器一(6)、光纤准直镜一(8)，所述右旋圆偏光的光路依次包括反射镜二(5)、声光调制器二(7)、光纤准直镜二(9)；所述左旋圆偏光的光路和所述右旋圆偏光的光路输出的光束经光纤耦合器(10)耦合后，由光纤准直镜三(11)传播至所述热波探测光整形模块。3.根据权利要求2所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述声光调制器一(6)和所述声光调制器二(7)，用于将所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光调制成脉冲形式，周期为t，其中，所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光延时t/2。4.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述热波探测光整形模块按照光线传播方向依次包括：反射镜三(12)、扩束器(13)、孔径光阑一(14)和锥透镜组(15)。5.根据权利要求4所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述锥透镜组(15)由两个锥透镜组成，两个锥透镜以背对背方式安装。6.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述热波泵浦光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器二(16)、斩波器(17)、半波片二(18)、偏振片(19)和二向色镜(20)；所述斩波器(17)用于对所述激光器二(16)射出的热波泵浦光进行调制，调制频率为f，所述二向色镜(20)将经调制的所述热波泵浦光和所述环形光合束后传播至所述光束照明模块。7.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，所述光束照明模块按照光线传播方向依次包括：孔径光阑二(21)、非偏振分束器(22)、物镜(23)、待测样品(24)和三维载物台(25)；所述待测样品反射的扫描后的光束依次经所述物镜(23)、所述非偏振分束器(22)反向传播至所述暗场非线性热波探测模块。8.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其
特征在于，所述暗场非线性热波探测模块按照光线传播方向依次包括：滤光片(26)、孔径光阑三(27)和收集透镜(28)、单模光纤(29)、光电探测器(30)和锁相放大器(31)，所述锁相放大器(31)的探测频率为2f，积分时间为t，其中，t>2/f。9.根据权利要求1所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，其特征在于，解调过程为根据所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光的占空比分别提取所述热波散射光中所述左旋圆偏光和所述右旋圆偏光照明下的热波暗场数据，作差后得到圆二向色性暗场热波成像结果。10.一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一所述的一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置，具体步骤包括：s1、通过所述时分复用圆偏光产生模块将偏振激光分为左旋圆偏光和右旋圆偏光，将其调制成脉冲波后进行耦合；s2、所述热波探测光整形模块将耦合的光束整形成环形光；s3、通过所述热波泵浦光产生模块生成热波泵浦光，所述热波泵浦光具有和所述左旋圆偏光以及所述右旋圆偏光相同强度的分量；s4、所述环形光和所述热波泵浦光合束后通过所述光束照明模块对待测样品进行扫描，得到扫描后的光束；s5、所述扫描后的光束经所述暗场非线性热波探测模块过滤后，得到热波散射光，根据所述热波散射光得到暗场热波信号，并对所述暗场热波信号进行解调，得到圆二向色性暗场热波成像结果。

技术总结
本发明涉及一种基于圆二向色性暗场非线性热波共焦显微测量装置和方法，装置包括：时分复用圆偏光产生模块，用于将偏振激光分为左右旋圆偏光，调制后耦合；热波探测光整形模块，用于将耦合的光束整形成环形光；热波泵浦光产生模块，用于产生热波泵浦光；光束照明模块，用于利用环形光和热波泵浦光合束后的光束对待测样品进行扫描；暗场非线性热波探测模块，用于过滤出扫描光束中的热波散射光，根据热波散射光得到暗场热波信号，对暗场热波信号进行解调得到圆二向色性暗场热波成像结果。通过本发明可获取多种几何缺陷的三维分布信息以及缺陷的手性检测。陷的手性检测。陷的手性检测。


技术研发人员：刘辰光 刘俭 陈钊 华子杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/11