[发明专利]光测量装置、方法及光声膜厚测量系统

说明书

本发明提出了一种光测量装置、方法及光声膜厚测量装置，装置包括：至少一个泵浦激光源，以一定角度发射高斯光束；能量调节系统，调整高斯光束的光强并将高斯光束转换为线偏振的高斯光束；光束转化模块，将线偏振的高斯光束转化为环形光束；聚焦器件，将环形光束聚焦，以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域；形变区域获得形变幅度增强。采用不同环形光束形状的泵浦激光可以在探测表面产生形变量增强的鼓包以提高探测灵敏度以及提高信噪比，并且环形光束在聚焦之后的聚焦效果更高，结合偏振状态生成环形光束的方法，使得表面形变量更大，探测光所携带的反射信息中关于角度和光程对应的时间信息都能够获得放大，从而提高探测灵敏度和信噪比。

技术领域

本发明属于光声量测系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种光测量装置、方法及光声膜厚测量系统。

背景技术

目前现有技术中的光声量测主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，膜样品吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜样品厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图1中所示，泵浦光源1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射探测光5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，由此，探测反射探测光5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要，而在其中，泵浦光对形变区4的影响也是提高探测反射探测光5b的变化从而提高探测精度的一个重要因素。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种利用激光光束形状提高光声膜厚度测量信噪比的装置和方法，使用光束转化器及聚焦生成小束腰的光斑，并且增加能量调节系统，从而达到提高探测器信噪比，结构简单，并且易于工程实现及自动化实现，并且空间体积小，结构紧凑。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个泵浦激光源，以一定角度发射高斯光束；

能量调节系统，用于调整所述高斯光束的光强并将所述高斯光束转换为线偏振的高斯光束；

光束转化模块，用于将所述线偏振的高斯光束转化为环形光束；

聚焦器件，用于将所述环形光束聚焦，以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域；

所述形变区域获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

进一步地，所述环形光束为环形径向偏振光束或环形角向偏振光束。

进一步地，所述环形光束经聚焦后的束腰半径比转化前的所述高斯光束经聚焦后的束腰半径减少20％及以上，40％及以下。

进一步地，所述能量调节系统包括一个半波片和一个偏振片。

进一步地，所述光束转化模块包括超结构波片，涡旋相位板，DOE衍射元件，圆锥透镜或空间光调制器中至少一种。

进一步地，所述聚焦器件为低数值孔径透镜。

进一步地，还包括相位调制器件，所述聚焦器件为高数值孔径透镜。