基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法技术

本发明专利技术涉及基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法。该方法包括：寻找具有强三维量子限域效应的量子点标记物；对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率等特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；将量子点标记物添加到光学元件产生亚表面缺陷的加工工艺中，使用特定波长的激光激发元件表面及亚表面各类缺陷中的量子标记物，使其产生荧光反应；通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，实现亚表面缺陷的高效标记；在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取。本发明专利技术实现高效、低成本的亚表面缺陷深度信息检测。

Depth detection of subsurface defects in optical elements based on quantum dots

【技术实现步骤摘要】
基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法
本专利技术涉及光学元件亚表面缺陷深度的无损检测
，具体涉及一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法。
技术介绍
超精密光学元件的亚表面缺陷是导致激光聚变系统、高能激光武器以及光刻系统等国家重大工程中激光系统缺陷的主要内因，直接影响光学系统的使用性能、稳定性和激光损伤阈值等参数，甚至导致系统失效。但是在目前的加工条件下，亚表面损伤是不可避免的。根据是否对光学元件产生破坏将表面/亚表面损伤的检测方法分为破坏性检测和非破坏性检测方法；为不破坏工件表面，多采用非破坏性检测方法；但是目前的非破坏性检测方法检测效率较低、检测深度浅、检测周期长；并且只能对亚表面缺陷进行静态观测，无法评价缺陷在运动状态下动态变化。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为解决现有技术存在的检测效率低、检测深度浅的缺陷，提供一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其能够提高检测精度和检测效率，并可通过荧光显微镜实现对亚表面缺陷的动态观测。为解决现有技术存在的问题，本专利技术的技术方案是：基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：步骤1)：基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测；步骤2)：对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；步骤3)：利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于量子点标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；步骤4)：检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光的高效标记；步骤5)：采用立体视觉原理，对具有量子点标记物的光学元件亚表面缺陷进行三维显微荧光成像，根据亚表面缺陷中量子点成像位置的偏移量，计算出亚表面缺陷的深度信息。步骤1)的具体方法为：通过在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止；判断是否具有强三维量子限制效应的方法为：采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能级，根据量子点的能级判断该标记物是否具有强三维量子限制效应。步骤3)的具体方法为：采用静电结合的方法，建立纳米粒子与量子点的能量转移体系，利用近场光学显微镜分析亚表面缺陷和表面重沉积层的荧光特性，利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应，由于标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系。步骤4)的具体方法为：首先对不含量子点的光学元件进行荧光显微观测，设定合适的发光阈值，将低于阈值的荧光点等效为黑色背景，高于阈值的发光点视为由量子点激发所致，通过检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光信号的高效标记。步骤5)的具体方法为：在亚表面缺陷信号和表面重沉积层荧光信号分离的基础上，利用三维立体视觉技术实现表面缺陷深度信息的获取；具体过程为：激光器发出光束垂直入射到样品表面，如果该处存在亚表面缺陷，则量子点标记物将附着在亚表面缺陷中，在激发光的作用下，亚表面缺陷内的量子点将产生荧光效应，并经过成像系统成像在光敏单元上，其端点坐标分别为A′和B′，由几何关系可得到亚表面缺陷深度与光敏单元上成像位置之间的关系：与现有技术相比，本专利技术的优点如下：1、本专利技术通过对不同类型和尺寸的量子点的量子介电效应进行分析，确定量子点几何特征(形状、结构和尺寸)与带隙宽度、激子光束缚能的大小以及激子能量漂移之间的关系，分析量子点的强三维量子限域效应，为量子点的材料选择和制备提供理论指导和支撑；2、本专利技术根据量子点自身独特的量子效应选择步骤1中具有强三维量子限制效应的量子点标记物，当颗粒尺寸达到纳米量级时，尺寸限制将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出不同于宏观体材料的物理化学性质，当量子点的尺寸小到一定程度时将处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带，形成量子介电效应；3、本专利技术方法突破亚表面缺陷深度测量的技术瓶颈，实现高效、低成本的亚表面缺陷深度信息检测。4、本专利技术通过将量子点标记物在亚表面缺陷中的非线性荧光效应与三维立体视觉技术相结合，实现对量子点标记的亚表面缺陷深度的测量，突破了亚表面缺陷深度测量的技术瓶颈，提高了亚表面缺陷深度信息的检测效率；5、本专利技术在该量子点标记物与试件表面裂纹的相互作用下，量子点可嵌入到亚表面的不同深度，实现对亚表面缺陷深度的精确检测。附图说明：图1为本专利技术的方法流程图；图2为具有强三维量子限制效应的量子点标记物特性研究的技术途径流程图；图3为量子点标记物表征方法及工艺适应性和污染残留性质研究的技术途径流程图；图4为量子点标记物的荧光特性与亚表面缺陷的关联关系研究的技术途径流程图；图5为亚表面缺陷与表面重沉积层荧光特征差异及高效标记方法的技术途径流程图；图6为基于荧光显微的亚表面缺陷深度信息高效测量技术研究的技术途径流程图；图7为亚表面缺陷荧光信号的提取技术原理图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例：一种基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法的步骤为：1、在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加具有不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间等现象的差异，寻找一种具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止。采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能级。首先分析在一维方向上无限深势阱中量子限制效应的问题，无限深势阱中的粒子可用平面波函数展开：ψj(x)＝∫Cj(k)φ(k)dk其能级如下：受限Bloch粒子的能级由下式决定：由此可计算精确的限制Bloch电子的能级结构。利用材料的能带结构，将量子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：/n步骤1)：基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测；/n步骤2)：对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；/n步骤3)：利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于量子点标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；/n步骤4)：检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光的高效标记；/n步骤5)：采用立体视觉原理，对具有量子点标记物的光学元件亚表面缺陷进行三维显微荧光成像，根据亚表面缺陷中量子点成像位置的偏移量，计算出亚表面缺陷的深度信息。/n

【技术特征摘要】
1.基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：
步骤1)：基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测；
步骤2)：对量子点标记物的表面活性、荧光光谱稳定性以及荧光效率特性表征，分析该量子点标记物的加工工艺适应性和污染残留可去除性；
步骤3)：利用特定波长的激光激发表面及亚表面缺陷中的量子点标记物，使其产生荧光反应；由于量子点标记物具有强三维量子限制效应，可产生与局域空间有强关联性的荧光漂移，从而建立量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系；
步骤4)：检测亚表面缺陷与表面重沉积层的荧光光谱，结合量子点的荧光漂移与亚表面缺陷的对应关系，实现亚表面缺陷与表面重沉积层荧光的高效标记；
步骤5)：采用立体视觉原理，对具有量子点标记物的光学元件亚表面缺陷进行三维显微荧光成像，根据亚表面缺陷中量子点成像位置的偏移量，计算出亚表面缺陷的深度信息。


2.根据权利要求1所述的基于量子点的光学元件亚表面缺陷深度检测方法，其特征在于：
步骤1)的具体方法为：通过在各产生亚表面缺陷的加工工艺过程中，添加不同的量子点标记物，基于不同量子点受激光激发后产生荧光强度、标记时间现象的差异，寻找具有强三维量子限制效应的量子点标记物，用于亚表面缺陷的标记和深度检测，如果未找到则返回继续添加量子点，直到找到为止；
判断是否具有强三维量子限制效应的方法为：采用改进的有效质量近似法(EMA)计算量子点标记物的量子限制效应，通过对布里渊区内函数的积分计算低维系统的能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春阳，崔亚娜，刘雪莲，田爱玲，王红军，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22