[發明專利]長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置和方法

有效

• 申請號: 202010031413.1
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111208089B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 劉誠;何思源;潘興臣;朱健強
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47;G02B27/28
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置，其特征在于，包括第一準直光束(1)、第二準直光束(2)、第一可變光闌(3)、第二可變光闌(4)、第一偏振分束器(5)、第二偏振分束器(6)、第一標準反射鏡(8)、第二標準反射鏡(9)、第一透鏡(10)、第二透鏡(11)、第一波前調制器(12)、第二波前調制器(13)、供第一波前調制器(12)放置的第一二維平移臺(14)、供第二波前調制器(13)放置的第二二維平移臺(15)、第一光斑探測器(16)、第二光斑探測器(17)和計算機(18)，且所述的第一光斑探測器(16)、第二光斑探測器(17)的輸出端分別與計算機(18)相連；待測晶體(7)放置在所述的第一偏振分束器(5)和第二偏振分束器(6)之間；所述的第一標準反射鏡(8)位于待測晶體(7)的端面A關于第一偏振分束器(5)的共軛位置，所述的第二標準反射鏡(9)位于待測晶體(7)的另一端面B關于第二偏振分束器(6)的共軛位置；

第一準直光束(1)經所述的第一可變光闌(3)入射到所述的第一偏振分束器(5)，經該第一偏振分束器(5)分為二束，一束到達待測晶體(7)一端面，經待測晶體(7)反射后，入射到第一偏振分束器(5)，經該第一偏振分束器(5)透射后依次經第一透鏡(10)和第一波前調制器(12)，入射到第一光斑探測器(16)上，另一束入射到第一標準反射鏡(8)，經該第一標準反射鏡(8)反射后，再次入射到第一偏振分束器(5)，經該第一偏振分束器(5)反射后依次經第一透鏡(10)和第一波前調制器(12)，入射到第一光斑探測器(16)上；

第二準直光束(2)經所述的第二可變光闌(4)入射第二偏振分束器(6)，經該第二偏振分束器(6)分為二束，一束到達待測晶體(7)另一端面，經待測晶體(7)反射后，入射到第二偏振分束器(6)，經該第二偏振分束器(6)透射后依次經第二透鏡(11)和第二波前調制器(13)，入射到第二光斑探測器(17)上，另一束入射到第二標準反射鏡(9)，經該第二標準反射鏡(9)反射后，再次入射到第二偏振分束器(6)，經該第二偏振分束器(6)反射后依次經第二透鏡(11)和第二波前調制器(13)，入射到第二光斑探測器(17)上；

所述的第一光斑探測器(16)和第二光斑探測器(17)記錄衍射光斑，并傳輸至計算機(18)儲存。

2.根據權利要求1所述的長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置，其特征在于，所述的第一準直光束(1)和第二準直光束(2)為平行光，所述的第一可變光闌(3)用于調整第一準直光束(1)口徑，第二可變光闌(4)用于調整第二準直光束(2)口徑。

3.根據權利要求1所述的長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置，其特征在于，所述的第一偏振分束器(5)將第一準直光束(1)分為兩束非相干偏振光，兩束光分別由第一標準反射鏡(8)和待測晶體的端面A反射至第一偏振分束器(5)；

所述的第二偏振分束器(6)將第二準直光束(2)分為兩束非相干偏振光，兩束光分別由第二標準反射鏡(9)和待測晶體的另一端面B反射至第二偏振分束器(6)。

4.根據權利要求1所述的長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置，其特征在于，所述的第一透鏡(10)和第二透鏡(11)均為會聚透鏡。

5.根據權利要求1所述的長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置，其特征在于，所述的第一二維平移臺(14)用于調節第一波前調制器(12)的位置，使第一波前調制器(12)在垂直于光軸平面內平移，第二二維平移臺(15)用于調節第二波前調制器(13)的位置，使第二波前調制器(13)在垂直于光軸平面內平移。

6.利用權利要求1-5任一所述的長距離端面粗糙晶體體內缺陷測量裝置進行測量的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

1)光路調整：使第一準直光束(1)穿過所述的第一可變光闌(3)并垂直照射到第一偏振分束器(5)上，調整第一偏振分束器(5)使兩束出射光分別垂直于第一標準反射鏡(8)和待測晶體(7)的端面A，調節第一標準反射鏡(8)使之處于待測晶體(7)端面A關于第一偏振分束器(5)的共軛位置，所述的第一準直光束(1)和第二準直光束(2)為平行光，將所述的第一波前調制器(12)放置于第一透鏡(10)和第一光斑探測器(16)之間，并使所述平行光射到第一波前調制器(12)，其散射斑照射到第一光斑探測器(16)上，并通過計算機(18)記錄對應光斑；同樣，第二準直光束(2)穿過第二可變光闌(4)并垂直照射到第二偏振分束器(6)上，調整第二偏振分束器(6)使兩束出射光分別垂直于第二標準反射鏡(9)和待測晶體(7)的另一端面B，調節第二標準反射鏡(9)使之處于待測晶體(7)另一端面B關于第二偏振分束器(6)的共軛面，將所述的第二波前調制器(13)放置于第二透鏡(11)和第二光斑探測器(17)之間，并使所述平行光照射到第二波前調制器(13)，其散射斑照射到第二光斑探測器(17)上，并通過計算機(18)記錄對應光斑，光路調整完畢；

2)數據記錄分為三步：

第一步撤出待測晶體，將第一準直光束(1)和第二準直光束(2)引入光路，利用第一二維平移臺(14)在垂直于光軸平面內平移第一波前調制器(13)，平移M行N列，且每次平移步長小于照明光直徑，第二二維平移臺(15)改變第二波前調制器(13)位置，記錄無晶體時，第二準直光經過第一棱鏡，第一透鏡、第一調制器后利用第一探測器記錄的光斑序列I₀；

第二步放入待測晶體，同時調整所述的第一可變光闌(3)和第二可變光闌(4)口徑，使待測晶體(7)兩側端面得到完全照射，所述的第一光斑探測器(16)記錄第一波前調制器(13)在不同位置處對應的衍射光斑序列I₁，第二光斑探測器(17)記錄第二波前調制器(13)在不同位置處對應的衍射光斑序列I₂；

第三步關閉第二準直光束(2)，第一準直光束(1)保持工作，通過第二二維平移臺(15)改變第二波前調制器(13)位置，所述的第二光斑探測器(17)記錄不同位置處對應的衍射光斑I₃；所記錄的四組衍射光斑分布I送所述的計算機(18)保存，完成數據記錄；

3)數據處理

①垂直于光軸平面上坐標為(x₁，y₁)處的第一波前調制器照明光用E₀(x₁，y₁)表示，利用衍射光斑I₀和標準PIE相位恢復技術，重建得到E₀(x₁，y₁)的像面分布E′₀(x₁，y₁)；

②對于衍射光斑序列I₁而言，第一波前調制器的入射光包含三個非相干照明光，分別為待測晶體的端面A反射引入的照明光E₁₁(x₁，y₁)、第一標準反射鏡引入的照明光E₁₂(x1，y1)，第二準直光經過第二偏振分束器穿過晶體后引入的照明光E₁₃(x₁，y₁)，利用多模態PIE相位恢復算法對兩個照明光進行同時重建，得到對應的復振幅分布分別為E′₁₁(x₁，y₁)、E′₁₂(x₁，y₁)、E′₁₃(x₁，y₁)；

②由于端面A和第一標準反射鏡關于第一偏振分束器共軛，距離第一波前調制器距離都為L₁，利用標量衍射理論，計算得到E′₁₁(x₁，y₁)E′₁₂(x₁，y₁)E′₁₃(x₁，y₁)，在像面(u₁，v₁)平面內的復振幅分布表示傳播距離L的過程，此時可計算得到端面A的相位深度分布為

③將E′₀(x₁，y₁)傳播到像面(u₁，v₁)，得到計算得到晶體整體等效復振幅透過率T₀(u₁，v₁)＝D₁₃(u₁，v₁)/D₀(u₁，v₁)，去掉端面A引入的相位變化得到利用標量衍射理論將其傳播到晶體端面B得到T為晶體等效長度；

④同理，利用光斑序列I₂，計算得到端面B的相位深度為其中分別為待測晶體右側端面B反射引入的照明光E₂₁(x₂，y₂)和待測晶體右側端面B反射引入的照明光E₂₂(x₁，y₁)恢復重建后的復振幅分布E′₂₁(x₂，y₂)和E′₂₂(x₂，y₂)在像面(u₂，v₂)平面內的復振幅分布；

⑤去掉端面B的相位分布得到晶體體內引入的復振幅分布其中(u′₂，v′₂)和(u₂，v₂)為等效面，T(u₂，v₂)即為最終測量結果。