光栅光谱衍射效率测量新技术的误差分析与校正方法研究

衍射光栅是非常重要的色散元件,在光谱分析领域中有着广泛的应用,光栅光谱衍射效率的测量对于评估光栅性能和改进光栅制备工艺有着重要的作用。在目前常见光栅光谱衍射效率的测量技术中,由于存在两种需要重复数百次的机械运动,因而光栅光谱衍射效率的测量速度比较缓慢,如获取700~900 nm波段范围内的光谱衍射效率,大约需要5~8 min的时间。在之前的研究中,报道了一种快速测量光栅光谱衍射效率的新方法,新方法采用声光可调谐滤波器、积分球探测器和高速数据采集系统,可以完全消除现有测量方法中存在的两种耗时的机械运动,由于测量过程中没有任何机械运动的参与,新方法能在10 ms量级获得700~900 nm波段范围内的光谱衍射效率。首先对光栅光谱衍射效率测量新方法的主要误差来源进行了系统分析,发现新方法一个比较明显的误差来源是凸透镜的透过率与入射角相关;然后结合光学模拟,得到了激光光束以不同入射角度传播通过凸透镜时的透过率,并提出了相应的误差校正方法;最后结合实验测量数据,我们对光栅光谱衍射效率新测量技术的误差校正方法进行了实验验证。数据分析结果表明,在550~750 nm波段范围内测得的光栅光谱衍射效率,经过误差校正后,新方法与传统测量方法之间绝对误差的平均值从校正前的0.207%降低到校正后的0.099%,由于传统光栅光谱衍射效率测量方法的测量精度约为0.1%,结果表明,提出的误差校准方法能成功消除光栅光谱衍射效率新测量方法的主要误差来源。

红外光热吸收成像技术在碲锌镉材料检测中的应用

红外光热吸收效应作为一种无损伤非接触的检测技术已经被广泛用于硅等半导体材料中的微缺陷表征分析.采用光热吸收技术对碲锌镉晶体中的缺陷进行扫描成像分析时发现了一种连续性的光貌相条纹并对这些条纹的形成机理进行了研究.研究表明碲锌镉晶体中的这种连续性条纹源自于光热测试系统中入射光的干涉这种干涉和入射光参数、测试样品的厚度、禁带宽度以及热导率等材料特性密切相关.最后实验通过优化红外光热吸收测量系统获得了碲锌镉材料中的微缺陷结构及其在样品深度方向的三维分布图像.

熔石英元件小尺寸集群损伤修复及检测技术(特邀)

针对现有小尺寸集群损伤修复及检测技术仍不完善的问题,重点研究亚表面缺陷多模态原位检测方法,从损伤样件表面损伤数量和尺寸、典型小尺寸损伤的形貌、光热吸收、荧光面积等多项指标进行了系统测量和分析,并开展了磁流变修复研究。研究结果表明:熔石英小尺寸损伤内部的吸收性杂质是影响元件性能的主要因素,在磁流变缎带接触到损伤底部前,损伤的整体吸收和荧光分布呈上升趋势;高重频激光对磁流变修复后的损伤辐照过程是一个由慢变快、由杂质到本体、由边缘逐渐向外扩张的过程,能够有效对磁流变修复后的表面进一步起到修复作用,可作为组合修复工艺的第三道工序。研究结果对光学元件检测表征体系的构建提供参考。

激光聚焦线扫描法测量KDP晶体坯片的体缺陷

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷,提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法,并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术,结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描,用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术,对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像,再对其进行二值化处理,提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量,结果显示其检测分辨率优于40μm,能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据,从而节省了大量成本。

熔石英损伤特性原位测量方法研究

为建立完善的熔石英元件吸收缺陷检测体系,有效提升熔石英元件的抗激光损伤阈值,设计了一套熔石英损伤特性原位测量装置,包括光热扫描测量与拉曼光谱测量两部分。实验表明,该装置不仅可以对熔石英样品的定点损伤特性进行测量,同时可以通过二维光热扫描测出样品的吸收特性和缺陷分布。此外,通过该装置的显微拉曼光谱测量模块可实现在辐照过程中对缺陷所致拉曼带的原位测量,获取激光辐照过程熔石英材料改性的信息,对有效控制和评价熔石英激光损伤特性具有重要意义。

中红外光学元件微弱吸收实现微米分辨率的表征

在光电对抗、激光制导、环境监测等需求的牵引下，中红外激光系统的应用日益广泛，中红外光学元件的吸收特性备受关注。尤其在中红外强激光系统中，强光元件的吸收性能直接关系到整个激光系统的可靠性。目前中红外光学元件的吸收率已降至10^-6量级，难以准确表征其二维吸收分布。

基于总散射测量的表面质量检测新方法

光学元件在加工及使用过程中引入的麻点或擦痕会严重影响其表面质量。基于Peterson疵病散射理论,将麻点或擦痕引起的散射光分为两部分,即对麻点(或擦痕)内部表面的散射光作漫反射分析,对麻点或擦痕外围轮廓引起的散射光作衍射分析。进一步考虑麻点和擦痕的挡光效应,以及麻点衍射消失的边界条件,通过将疵病散射理论与国家标准GB/T 1185-2006相结合,推导出麻点、擦痕的双向反射分布函数的解析表达式,进而分析了不同疵病级数下的角分辨散射和总散射。研究结果表明:表面疵病的总散射与疵病面积近似成线性正比,进而据此提出了一种基于总散射测量的表面质量检测新方法,并分析了光学元件表面疵病的阈值。

基于光热技术的氧化钇透明陶瓷缺陷特性研究

针对氧化钇透明陶瓷在制备过程中产生的气孔、杂质等缺陷难以实现定量化无损检测、评估的问题,本研究团队提出了基于光热热透镜效应的扫描成像测量方法,建立了氧化钇透明陶瓷表面和体内不同区域的光热吸收信号与气孔、杂质等缺陷之间的关联。根据吸收幅值的统计分布特征,采用以E+3σ(E和σ分别为吸收的平均值和标准差)为阈值对扫描图像进行分割的方法来表征缺陷的分布。与光学显微镜观测等方法相比,该方法具有灵敏度高、可准确表征缺陷的吸收等优点,可以为缺陷对材料吸收特性和热学特性的影响提供评判依据,进一步为氧化钇透明陶瓷制备工艺的改进提供重要支撑。