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基于光热效应的热波成像检测系统及其应用的研究

沈剑峰  
【摘要】:基于光热效应的热波成像检测技术应用于固体材料的无损检测是目前很有潜力的研究方向。该技术具有灵敏度高,非接触、非破坏性的优点,且在理论上具有对固体材料不同深度处可进行非破坏性剖析检测的独特本领,适合于金属固体、半导体集成电路和薄膜材料等的分层成像分析,受到许多应用部门的重视。 本文在阅读大量中外文献的基础上,叙述了热波成像检测技术的原理,总结了热波成像技术的研究现状和发展趋势,提出本文研究的新目标。为此,建立了体吸收热传导模型,利用热波扩散的特性,通过求解热传导方程,得到样品的表面温度与缺陷深度及泵浦光调制频率的关系;并精心设计了基于光热偏转技术的小型化成像检测系统,对系统中泵浦光路和探测光路进行了专门的设计,对光、机、电、算各部分组件作了合理的配置和设计,使系统具有结构紧凑、易操作、小型化等优点;建立了采用全半导体激光器作泵浦光和探测光的结构紧凑的实验装置,在大量实验的基础上,验证了由模型导出的理论关系,并获得了试样次表面不同深度处信息的图像及差分处理后的薄层信息,达到分层成像检测试样次表面信息的目的;同时还实验研究了热波成像检测中幅值信号与相位信号的空间分辨率,得到了热波成像检测技术只能应用于薄层材料的结论。经过对介质薄膜和金属薄膜的激光损伤作了热波成像检测和研究后,获得了光学薄膜的热波图象,该图象直观地反映了光学薄膜激光损伤的程度与空间位置,通过对光学薄膜激光损伤处光热幅值信号的线性外推处理,可以推算薄膜的损伤阈值。在应用热波成像检测技术的同时还提出了基于薄膜多种光学和热学性质的光学薄膜综合质量评价方法。由于热波成像检测技术的高灵敏性、对材料的无损性及检测结果的直观性,使其在光学薄膜的无损评估中同样具有广泛的应用前景。 研究结果显示:(1)采用不同调制频率的泵浦光,可获得试样次表面不同深度处的结构信息,泵浦光的调制频率越低,热波的幅值信号能够反映材料次表面结构的深度越深;(2)泵浦光的调制频率相同时,热波的相位信号比幅值信号可以反映更深的材料次表面结构,但热波相位信号的横向空间分辨率不及幅值信号的空间分辨率,相位信息不能分辨材料内部横向尺寸小于深度的次表面结构;(3)热波的深度探测能力随泵浦光调制频率的减小而增大,但具有探测极限,实验显示,当泵浦光的调制频率过低时,信号出现饱和并衰减。例如对金属铝材料,泵浦光的调制频率在40Hz以上可以获得满


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