光熱偏轉成像實驗

侯慶軍,婁本濁,李 榮,何軍鋒,孫慶龍

(1.濱州學院物理系,山東濱州256600;2.陜西理工學院物理系,陜西漢中723003)

1 引 言

光熱偏轉(photo-thermal deflection)成像技術是近幾年發展起來的熱波探測技術,它能夠快速繪制樣品表面的熱波圖像,為材料熱學性能的研究提供了一個重要手段.由于該技術具有非接觸、高分辨率,且可以在惡劣的環境下進行在線檢測等優點,被廣泛應用于生產和工程中[1-4].但目前利用光熱偏轉技術檢測材料時,大多還是采用手動測量,這樣不但工作效率低,同時也影響測量精度[5].因此,本文根據光熱偏轉檢測理論設計搭建了熱波成像的光熱偏轉自動化檢測系統,實現了數據采集和數據處理的自動化;并利用該系統對直線劃痕SrBT樣品和三角劃痕硅片樣品的表面光熱偏轉圖進行了實驗測量.

2 光熱偏轉成像原理

根據光熱偏轉檢測理論,光熱偏轉信號與四象限位置探測器的電壓輸出有確定的關系,即當調制頻率為ω時,探測光束的偏轉角度為[5-6]:

式中Φ為探測光束偏轉角,n為氣體折射率,T為樣品表面溫度,P為泵浦光功率,ω為泵浦光的調制角頻率,ρ為密度,C為熱容量,a為泵浦光在強度1/e處的半徑,x0為探測光束距樣品表面的距離,α為樣品的光學吸收系數,l為探測光穿越折射率梯度區域的長度.

根據(1)式,假設其他值不改變,在樣品近表面區域,偏轉信號的強度值會隨著x0的增大而變大.假如在樣品光滑表面進行刻痕,則由于刻痕處距離探測光的距離變大,該處所得到的光熱偏轉信號強度要比周圍的大,通過對樣品表面光熱偏轉成像測量,可以準確描繪出樣品表面刻痕的形狀,并能夠清楚地觀察到劃痕的位置和深度.

3 光熱偏轉成像系統

光熱偏轉成像系統是通過測量樣品表面二維區域內的各個點上的光熱偏轉信號,將數據經圖像化處理后,建立被測區域的表面熱波圖像.

3.1 實驗系統

本文設計搭建的實驗系統見圖1,整套系統固定于WSZ-1光學平臺之上.實驗供電系統采用大功率交流穩壓電源.打開各儀器電源開關,將激光器調整到最佳工作電流,穩定0.5 h后開始實驗.基本過程如下:將經金相試樣拋光機(P-2,上海順運貿易有限公司)拋光后樣品固定在樣品臺上,調節樣品水平使其表面垂直于由半導體激光器(AmberGreen-500,北京國科世紀激光技術研究所)發出的泵浦光,由氦氖激光器(250 A,天津市光學儀器廠)發出的探測光平行于樣品表面掠射,用四象限探測器接收探測光的偏轉信號.在無泵浦光照射的情況下,用示波器調整四象限探測器的初始位置,使得探測光在無偏轉時剛好打在探測器的中心位置.然后打開泵浦光,反復調節探測光與泵浦光的相對位置,觀察鎖相放大器(SR850,美國斯坦福研究系統公司)的信號顯示,使光熱偏轉信號處于最大值.最后在控制軟件中設置各項參量并控制整個系統進行測量.斬光器的作用是把連續源發出的光調制成按對稱方波變化的光信號,便于光電變換后進行選頻放大和相干檢測.實驗中采用由南京大學微弱信號檢測技術開發研究中心生產的ND-4型可變頻率雙參考斬光器.該斬光器除了能對光源進行調制外,還同時輸出與調制頻率同步的參考電壓方波,作為鎖相放大器的參考信號,因此特別適用于本實驗的激光測量系統.

圖1 光熱偏轉成像系統示意圖

樣品臺固定于步進電機上,并通過步進電機(SC3,北京卓立漢光儀器公司)的移動來改變泵浦光在樣品表面照射點的位置.首先把樣品表面的某一個二維區域劃分成不同數量的點陣,分別測量每個照射點上的光熱偏轉信號;然后對所有信號進行圖像化處理后,建立該二維區域的光熱偏轉信號的二維和三維圖像.步進電機運行過程是:設樣品表面掃描二維區域的長度為X,寬度為Y.首先在X方向上移動1個單位的距離,然后采集光熱偏轉信號,將該數據連同其坐標值寫入文本文件中,以此類推每移動1個單位的距離記錄1組數據,直到X方向掃描完成,然后步進電機返回到X軸的起始位置,向Y軸移動1個單位的距離,繼續上面X方向的掃描,直到整個二維區域掃描完成.這樣就得到了該二維區域上光熱偏轉信號的點陣數據.

在測量中應注意:樣品的水平位置的調節對實驗結果影響很大,樣品表面與泵浦光垂直的同時還要與探測光平行,否則,測量得到的圖像會發生一定程度的傾斜;泵浦光與探測光之間相對距離的選取也很重要.本實驗中選擇光熱偏轉信號最大值時進行測量,這樣選擇的好處是該距離測量得到的光熱偏轉信號最為穩定,降低噪聲對有用信號的干擾.

3.2 實驗數據處理軟件

考慮到Matlab[7-8]在圖像處理方面的強大功能,利用Matlab編制了數據處理成像程序.該程序可以讀取實驗測量過程中采集得到的數據文件,將數據進行歸一化處理后,進行編碼成像,顯示出掃描區域的二維或三維光熱偏轉圖像,圖2為該系統數據處理軟件流程圖.

圖2 光熱偏轉成像系統數據處理軟件流程圖

本系統實現了數據自動化采集,提高了測量精度和穩定性.控制軟件集成了電機控制、鎖相放大器參數設定、數據采集以及數據坐標和振幅值的顯示等功能,方便了人機交互,便于實時觀測和控制.數據處理程序具有穩定性強,運行速度快,圖像清晰等優點,并且可顯示二維和三維圖像,能夠隨意改變圖像的觀察角度,使圖像更為直觀易讀.

4 實驗結果

在室溫為25℃的實驗室中,利用光熱偏轉成像自動測量系統分別繪制了圓型SrBT薄片表面的直線劃痕和長方形硅片表面上的三角形劃痕的光熱偏轉圖.所設置的各項參量為:鎖相放大器的靈敏度為500μV/Pa,時間常量為300 ms,TTL頻率為313 Hz;步進電機X方向運行步數為60,Y方向運行步數為60,步距數為5,時間間隔為500 ms.

4.1 SrBT薄片表面的直線劃痕

直線劃痕材料為厚度1.0 mm、直徑8.0 mm的圓型SrBT薄片,表面進行拋光處理后,用刻刀在其表面做1條寬0.1 mm、深0.2 mm的直線劃痕.圖3為SrBT材料上直線劃痕光熱偏轉圖.

圖3 SrBT材料直線劃痕光熱偏轉圖

4.2 硅片表面的三角形劃痕

三角形劃痕材料為10 mm×20 mm×1.0 mm的長方形硅片,表面進行拋光處理后,用刻刀在其表面做邊長為1.5 mm的三角形劃痕.圖4為SrBT材料上三角形劃痕光熱偏轉圖.

圖4 硅片材料三角形劃痕光熱偏轉圖

5 結 論

實驗結果表明利用本文設計的光熱偏轉成像系統能夠很好地描繪出樣品的表面缺陷圖像,成像結果清晰直觀.此外,由于數據采集和數據處理采用自動化處理,可以快速準確地從熱波圖像中直觀觀測到樣品表面刻痕的形狀和深度,為樣品表面形貌分析和樣品缺陷分析提供了一種有力便捷的工具.同時由于探測光束偏轉幅度Φ還與樣品的光學吸收系數α有關,因而該系統還可以用來進行樣品的缺陷測量.

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