光熱偏轉(zhuǎn)成像實驗

侯慶軍,婁本濁,李 榮,何軍鋒,孫慶龍

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

1 引 言

光熱偏轉(zhuǎn)(photo-thermal deflection)成像技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的熱波探測技術(shù),它能夠快速繪制樣品表面的熱波圖像,為材料熱學(xué)性能的研究提供了一個重要手段.由于該技術(shù)具有非接觸、高分辨率,且可以在惡劣的環(huán)境下進行在線檢測等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和工程中[1-4].但目前利用光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)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(jù)光熱偏轉(zhuǎn)檢測理論設(shè)計搭建了熱波成像的光熱偏轉(zhuǎn)自動化檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的自動化;并利用該系統(tǒng)對直線劃痕SrBT樣品和三角劃痕硅片樣品的表面光熱偏轉(zhuǎn)圖進行了實驗測量.

2 光熱偏轉(zhuǎn)成像原理

根據(jù)光熱偏轉(zhuǎn)檢測理論,光熱偏轉(zhuǎn)信號與四象限位置探測器的電壓輸出有確定的關(guān)系,即當調(diào)制頻率為ω時,探測光束的偏轉(zhuǎn)角度為[5-6]:

式中Φ為探測光束偏轉(zhuǎn)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(diào)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(xué)吸收系數(shù),l為探測光穿越折射率梯度區(qū)域的長度.

根據(jù)(1)式,假設(shè)其他值不改變,在樣品近表面區(qū)域,偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)信號強度要比周圍的大,通過對樣品表面光熱偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)成像系統(tǒng)

光熱偏轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)是通過測量樣品表面二維區(qū)域內(nèi)的各個點上的光熱偏轉(zhuǎn)信號,將數(shù)據(jù)經(jīng)圖像化處理后,建立被測區(qū)域的表面熱波圖像.

3.1 實驗系統(tǒng)

本文設(shè)計搭建的實驗系統(tǒng)見圖1,整套系統(tǒng)固定于WSZ-1光學(xué)平臺之上.實驗供電系統(tǒng)采用大功率交流穩(wěn)壓電源.打開各儀器電源開關(guān),將激光器調(diào)整到最佳工作電流,穩(wěn)定0.5 h后開始實驗.基本過程如下:將經(jīng)金相試樣拋光機(P-2,上海順運貿(mào)易有限公司)拋光后樣品固定在樣品臺上,調(diào)節(jié)樣品水平使其表面垂直于由半導(dǎo)體激光器(AmberGreen-500,北京國科世紀激光技術(shù)研究所)發(fā)出的泵浦光,由氦氖激光器(250 A,天津市光學(xué)儀器廠)發(fā)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(zhuǎn)信號.在無泵浦光照射的情況下,用示波器調(diào)整四象限探測器的初始位置,使得探測光在無偏轉(zhuǎn)時剛好打在探測器的中心位置.然后打開泵浦光,反復(fù)調(diào)節(jié)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(tǒng)公司)的信號顯示,使光熱偏轉(zhuǎn)信號處于最大值.最后在控制軟件中設(shè)置各項參量并控制整個系統(tǒng)進行測量.斬光器的作用是把連續(xù)源發(fā)出的光調(diào)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(xué)微弱信號檢測技術(shù)開發(fā)研究中心生產(chǎn)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(diào)制外,還同時輸出與調(diào)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(tǒng).

圖1 光熱偏轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)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(qū)域劃分成不同數(shù)量的點陣,分別測量每個照射點上的光熱偏轉(zhuǎn)信號;然后對所有信號進行圖像化處理后,建立該二維區(qū)域的光熱偏轉(zhuǎn)信號的二維和三維圖像.步進電機運行過程是:設(shè)樣品表面掃描二維區(qū)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(zhuǎn)信號,將該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),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(xù)上面X方向的掃描,直到整個二維區(qū)域掃描完成.這樣就得到了該二維區(qū)域上光熱偏轉(zhuǎn)信號的點陣數(shù)據(jù).

在測量中應(yīng)注意:樣品的水平位置的調(diào)節(jié)對實驗結(jié)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(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)信號最為穩(wěn)定,降低噪聲對有用信號的干擾.

3.2 實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)文件,將數(shù)據(jù)進行歸一化處理后,進行編碼成像,顯示出掃描區(qū)域的二維或三維光熱偏轉(zhuǎn)圖像,圖2為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件流程圖.

圖2 光熱偏轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件流程圖

本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動化采集,提高了測量精度和穩(wěn)定性.控制軟件集成了電機控制、鎖相放大器參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理程序具有穩(wěn)定性強,運行速度快,圖像清晰等優(yōu)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(jié)果

在室溫為25℃的實驗室中,利用光熱偏轉(zhuǎn)成像自動測量系統(tǒng)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(zhuǎn)圖.所設(shè)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(shù)為60,Y方向運行步數(shù)為60,步距數(shù)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(zhuǎn)圖.

圖3 SrBT材料直線劃痕光熱偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)圖.

圖4 硅片材料三角形劃痕光熱偏轉(zhuǎn)圖

5 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明利用本文設(shè)計的光熱偏轉(zhuǎn)成像系統(tǒng)能夠很好地描繪出樣品的表面缺陷圖像,成像結(jié)果清晰直觀.此外,由于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(zhuǎn)幅度Φ還與樣品的光學(xué)吸收系數(shù)α有關(guān),因而該系統(tǒng)還可以用來進行樣品的缺陷測量.

[1] 王培吉,范素華.激光光熱輻射技術(shù)測量不透明復(fù)合材料的熱擴散率[J].中國激光,2000,27(12):1 129-1 132.

[2] 王培吉,周忠祥,蘇燕.鉭摻雜對鈦酸鋇導(dǎo)熱性能影響的研究[J].物理學(xué)報,2006,55(4):1 959-1 964.

[3] Gaieed I,Guassoumi A,Kanzari M,et al.Investigation of optical properties of SnSb2S4and Sn2Sb2S5thin films by a non destructive technique based on the photothermal deflection spectroscopy[J].The 10th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing,2009,9(1-3):493-501.

[4] Manikandan N,Paulraj M,Asokan S.Thermal diffusivity measurements on As-Te-Ga glasses by photo-thermaldeflection technique:composition dependence and topological thresholds[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2009,355(1):58-60.

[5] Tam A C.Pulsed photothermal radiometry for noncontact spectroscopy,material testing and inspection measurements[J].Infrared Physics,1985,25(1-2):305-313.

[6] During A,Fossati C,Commandre M.Photothermal deflection microscopy for imaging sub-micronic defects in optical materials[J].Optics Communications,2004,230(4-6):279-286.

[7] 王默玉,宗偉,劉春磊.基于Matlab的圖形用戶界面的構(gòu)造方式與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力,2002,19(1):76-82.

[8] 孔麗晶,駱萬發(fā).基于Matlab的單軸晶體錐光干涉圖樣模擬[J].物理實驗,2009,29(2):13-16.