一种声表面波光干涉扫描探测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种声表面波光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位移平台、外差探测激光干涉仪、低噪声放大器、示波器和计算机。其中信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，作用在样品上产生声表面波；外差探测激光干涉仪发出的测量臂激光照射在样品表面返回与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，探测到的干涉信号经低噪声放大器放大后在示波器上实时显示出相应的波形；示波器和位移平台与计算机联机，计算机控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅和相位信息。本发明专利技术结合了外差激光探测和二维平面扫描，可以实现对微型声表面波器件表面的微小区域进行精确扫描，其分辨精度达到1微米，实现扫描的总区域可达10毫米*10毫米。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种外差激光探测干涉仪，特别涉及一种声表面波光干涉扫描探测系统。
技术介绍
在声表面波研究领域，探测和确定小振幅表面振动的特点是非常重要的。对于MHz以上频率的应用，典型的最大的振幅大概在几纳米数量级。这种情况下，环境的扰动对设备测量精度的影响非常显著，非接触的测量方法显得尤为重要。激光干涉仪提供了非接触的光学测量方法，可用来探测这种表面振动，其中一种简便的方法就是采用零差迈克尔逊干涉仪，它包括测量臂和参考臂，将表面振动的样品放置在测量臂路径上。表面振动引起测量臂上的光程差发生改变，相应地与参考臂的相位差产生变化，这样激光干涉仪将相位差转变为两臂上光束叠加后的强度变化，最终的光强信号由光探测器接收。这样在接收到的光强与表面振幅之间建立了联系。光强的干涉项由式(1)表示，I1和I2分别为参考臂和测量臂的光强，A为表面振动的振幅，fSAW为表面振动的频率，λ为激光的波长，为环境因素在两束光之前引起的缓慢相位变化。另外一种方法就是采用外差探测激光干涉仪，激光源发出的光经分光镜分成两束，之后使参考臂和测量臂中的某一束光的频率对于原始频率f发生微小的频移fm(fm<<f)变为f+fm。测量臂经过样品表面反射最终与参考臂的光发生干涉作用，得到光强的干涉项为：在外差探测中，环境因素导致的缓慢相位变化仅仅作为总相位变化中的一部分，因此这种测量方法在普通的工作平面上即可探测(无需高精度的光学平台)，并且几乎不受样品表面的粗糙、台阶起伏、反射率起伏的影响。目前商业设备能够对样品表面振动信息测量的频率上限大都在几兆赫兹以下，难以对更高频率的振动情况进行有效的测量，因此受到限制。
技术实现思路
针对以上的技术现状进行分析，考虑到实验室环境中不可避免存在着噪声干扰，本专利技术提出一种外差激光探测和扫面平台相结合的声表面波光干涉扫描探测系统，以获得微小样品二维
表面的场分布信息。为了实现上述获得样品表面场分布信息的目的，本专利技术采用的技术方案为：一种声表面波光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位移平台、外差探测激光干涉仪、低噪声放大器、示波器和计算机，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，作用在位于位移平台上的样品的表面产生声表面波，外差探测激光干涉仪的测量臂激光照射在所述样品表面经反射返回，与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，探测到的干涉信号经低噪声放大器放大后在示波器上显示出相应的波形；所述示波器和位移平台分别与计算机连接，通过计算机来控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息；所述计算机对信息数据进行处理获得样品的声表面波场分布信息。本专利技术的声表面波光干涉扫描探测系统结合了外差激光探测和二维平面扫描，其中，外差激光探测可以获取样品表面单个点的完全的声表面波振动信息，同时不需要高精度的光学平台且对环境噪声具有很强的免疫能力，可以满足大多情况下实验室的使用；通过将干涉仪探测光斑直径聚焦到10μm，同时配合采用高灵敏度和快响应速度的光电探测器可以将对样品表面振动信息的探测频率上限提高到100MHz。结合精密位移平台(最小步长0.1μm)的二维平面扫描，可以实现对微型声表面波器件表面的微小区域进行精确扫描，其分辨精度达到1微米，实现扫描的总区域可达10毫米*10毫米。同时，可通过示波器实时显示每个点的干涉信号，并利用labview程序对每个点的振动信息进行数据提取包括坐标、相位和幅值，最终使用matlab进行数据后处理获得扫描区域的场分布信息，该方法简便可靠。附图说明图1为本专利技术的声表面波光干涉扫描探测系统示意图；图2为本专利技术的声表面波光干涉扫描探测系统中外差激光干涉仪的内部光路示意图；图3为本专利技术的二维平面扫描实现过程示意图；图4为本专利技术的系统测得的扫描区域的(a)相位和(b)幅值分布图；图5为本专利技术的系统测得的扫描区域的场分布图。具体实施方式扫描平台和示波器与计算机联机，并利用labview程序来设置扫描区域和扫描精度(步长)。示波器实时显示扫描区域中每个点的干涉信号波形，labview程序提取每个点的坐标、相位和幅值信息。获取的信息存入文件中，最后利用matlab进行数据后处理获取场分布图。如图1所示，本专利技术的声表面波光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位
移平台、外差探测激光干涉仪、低噪声放大器、示波器和计算机。其中信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，作用在样品上产生声表面波。外差探测激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面返回与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，探测到的干涉信号经低噪声放大器放大后在示波器上显示出相应的波形。示波器和位移平台与计算机联机，并利用labview程序来控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅和相位信息。本实施例中，信号发生器为Tektronix公司生产的AFG3252C双通道型，带宽240MHz，用于激发射频信号。功率放大器采用微波电子网的MWPA-000500M04，最大输入射频信号功率为10dBm，增益36dB，最大输出功率4W，置于信号发生器后端，用于放大声表面波驱动功率。位移平台由两块PI公司的M405-CG压电扫描平台构成，两块平台上下交叠放置。通过PI公司C-843板卡可以实现对两块扫描平台的驱动，即实现二维扫描。其中M405-CG压电扫描平台最大移动范围50mm，最小步长0.1μm，最大移动速度0.7mm/s。示波器为LeCroy公司的wavepro 725Zi，用来实时显示干涉信号波形。低噪声放大器由Mini Circuits公司生产，型号为ZFL-1000+，增益17dB，用来放大干涉仪输出的干涉信号。外差探测激光干涉仪用来实现在扫描过程中对每一个点进行测量，获取每个点的振动信息。图2所示为本实施例外差激光干涉仪的内部光路，包括532nm激光器(300mW)、三个半波片、三个偏振分光镜、两个反射镜、两个1/4波片、聚焦透镜、光折变晶体和探测器。激光器发出的光经过半波片和偏振分光镜后分为透射光和反射光，其中透射光(测量臂)依次经过反射镜、偏振分光镜、1/4波片和透镜入射到样品表面经反射后返回。反射光(参考臂)通过半波片和反射镜后与经样品表面反射回来的透射光入射到相位型光栅的光折变晶体上，之后发生相干叠加，由光电探测器探测干涉后的光强。同时将光斑直径聚焦到10μm，并配合使用高灵敏度和快响应速度的HCA-S-200M-SI型光电探测器可以使测量上限达到100MHz。图3所示为本专利技术的二维平面扫描实现过程示意图。在左边激发声表面波，入射到右侧的平面区域，外差激光干涉仪探测每个点的振动信息，位移平台以一定的精度进行二维平面移动，这样就可以获取表面区域内的振动情况。右图代表扫描过程中对样品表面特定点测量到的振动信息，可以利用测量到的这些点的振动信息来绘制样品表面场分布图。图4所示为利用labview提取到的测量区域的振动情况数据，经matlab处理后得到的73MHz激励信号下声表面波相位(a图)和幅值(b图)分布图。图5所示为与图4对应的每个点的幅值乘以相位的余弦得到的场分布图，可以观察到明显的平面波形式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声表面波光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位移平台、外差探测激光干涉仪、低噪声放大器、示波器和计算机，其特征在于，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，作用在位于位移平台上的样品的表面产生声表面波，外差探测激光干涉仪的测量臂激光照射在所述样品表面经反射返回，与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，探测到的干涉信号经低噪声放大器放大后在示波器上显示出相应的波形；所述示波器和位移平台分别与计算机连接，通过计算机来控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息；所述计算机对信息数据进行处理获得样品的声表面波场分布信息。

【技术特征摘要】
1.一种声表面波光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位移平台、外差探测激光干涉仪、低噪声放大器、示波器和计算机，其特征在于，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，作用在位于位移平台上的样品的表面产生声表面波，外差探测激光干涉仪的测量臂激光照射在所述样品表面经反射返回，与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，探测到的干涉信号经低噪声放大器放大后在示波器上显示出相应的波形；所述示波器和位移平台分别与计算机连接，通过计算机来控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息；所述计算机对信息数据进行处理获得样品的声表面波场分布信息。2.根据权利要求1所述的一种声表面波光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述位移平台由两块上下交叠放置的扫描平台构成，所述计算机通过板卡对两块扫描平台进行驱动，实现二维扫描。3.根据权利要求1所述的一种声表面波光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述外差激光干涉仪包括激光器、三个半波片、三个偏振分光镜、两个反射镜、两个1/4波片、...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢明辉，刘富康，余思远，颜学俊，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32