一种用于测量物体表面形貌的系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于测量物体表面形貌的系统，包括发射端光梳（1）、光学色散元件（2）、显微物镜（3）、二维纳米移动平台（4）、二维精密纳米移动电机（5）、本地振荡光梳（6）、光电探测器（7）、半透半反镜（8），所述发射端光梳（1）产生探测光束依次射向光学色散元件（2）、半透半反镜（8）、显微物镜（3）和放置在二维纳米移动平台（4）上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜（8），半透半反镜（8）将反射回来的探测光束反射射向光电探测器（7），所述本地振荡光梳（6）用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜（8）与反射回来的探测光束一起射向光电探测器（7）。该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，结合了双光梳拍频探测技术和空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体扫描，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一种用于测量物体表面形貌的系统
本技术涉及激光光学成像技术，尤其涉及一种新型的非接触式测量物体表面形貌的系统。
技术介绍
针对激光无损切割、激光表面喷涂、激光表面毛化与抛光、特种合金焊接等新兴技术的检测和评估，图像分析、数据处理等技术的要求不断提高，材料表面形貌的检测技术也发生了根本性的变化。不但从最初的二维轮廓界面的测量评定发展到定量化三维表面形貌的测量评定，而且从传统的对平面表面形貌的测量评定，发展到对曲面表面形貌的测量评定。然而，大多数传统形貌测量仪器由于本身在设计方案上的局限性，无法兼顾时间分辨率和空间分辨率。高分辨、快响应的显微成像检测技术亟待发展。目前国内外适用于材料表面形貌成像测量的仪器多数采用的是接触式测量方式，利用探针或是探珠直接接触物体表面，获取其表面凹凸形貌信息。这类触针式测量仪的好处在于其成像直观可靠、操作简单、通用性强，但被测表面易被触针划伤而使测量数据失真，触针磨损也会引起横向分辨率降低从而导致测量结果不准确；同时，受触针尖端圆弧半径的影响，触针难以测出高质量表面的实际轮廓谷底，从而降低了测量精度。通常这种接触式形貌测量仪的精度在I微米量级。另外，现行的表面形貌测量装置还有扫描显微镜测量仪，该装置通过计算机图像监视器或CRT显示控制器观测被测表面图像，其分辨率较高，但是测量范围小，使用范围限于原子级或纳米级表面的测量，测量条件较苛刻。本技术即针对上述问题研究而提出。
技术实现思路
本技术要 解决的技术问题是提供一种用于测量物体表面形貌的系统，该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。为解决上述技术问题，本技术一种用于测量物体表面形貌的系统，采用如下方案:本技术一种用于测量物体表面形貌的系统，包括发射端光梳、光学色散元件、显微物镜、二维纳米移动平台、二维精密纳米移动电机、本地振荡光梳、光电探测器、半透半反镜，所述发射端光梳产生探测光束依次射向光学色散元件、半透半反镜、显微物镜和放置在二维纳米移动平台上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜，半透半反镜将反射回来的探测光束反射射向光电探测器，所述本地振荡光梳用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜与反射回来的探测光束一起射向光电探测器。所述发射端光梳和本地振荡光梳的光源为飞秒激光光梳光源。所述光学色散元件为一对相互平行的光栅。所述二维精密纳米移动电机输出端与二维纳米移动平台连接，所述二维精密纳米移动电机驱动二维纳米移动平台移动，对被测物体进行扫描。发射端光梳与本地振荡光梳分别产生的探测光束和参考光束，最终同时射向光电探测器，即对探测光束和参考光束进行双光梳拍频探测技术处理，对探测光束和参考光束相干外差拍频测量，探测光束和参考光束存在一个微小的重复频率差Λ f，发射端光梳与本地振荡光梳的拍频信号根据彼此两个系列的光梳齿的几何加减关系，以Af的频率差分布在射频波段。发射端光梳产生的探测光束，先射向光学色散元件，即对探测光束进行空间啁啾技术处理，利用在光学色散元件空间色散作用下，不同频率的光波按波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置。参考光束与经过空间啁啾的探测光束进行双光梳频谱标识探测，即将其拍频信号用于频谱标识，测定被测物体表面形貌位置对应的表面凹凸平整度。发射端光梳与本地振荡光梳采用具备脉冲重复频率和脉冲载波包络相位的精确锁定的成像探测光源。所述发射端光梳与本地振荡光梳采用飞秒激光光梳光源，其具有良好的空间相干性和方向性，可直接无接触式、无损伤被测物体表面，同时光梳光源频率不确定度小，可以确保测量的准确度和精度。经过空间啁啾技术处理的探测光束聚焦于被测物体表面，光斑在被测物体表面的照射区被探测光束中不同频率的光成分所标记，即为频谱标识；通过测量不同频率的光场信息，即可得到该频率对应的空间位置的被测物体表面凸凹平整度。事实上，频谱标识是将光束的强度-频率关系I (ω)对应于强度-空间坐标关系I (X)，其中ω为光频率，X为某一光频率成分在X方向的坐标；频谱标识的空间分辨精度取决于探测光束可分辨的频率精度。 本技术一种用于测量物体表面形貌的系统，该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，利用双光梳拍频探测技术和空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体扫描，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。以下结合附图对本技术的具体实施方式作进一步详细说明，其中:附图说明图1为本技术的示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术的实施方式作详细说明。本技术一种用于测量物体表面形貌的系统进行测量时，首先对发射端光梳I和本地振荡端光梳6的载波包络相位和重复频率同时精密锁定。让其具有一个微小重复频率差量Λ f，并同时锁定在同一个频率标准上，保证发射端光梳I和本地振荡端光梳6之间有最小的相对频率抖动。然后，利用空间啁啾技术，使探测光束通过光学色散元件2，所述光学色散元件2为一对相互平行的光栅，在光栅空间色散的作用下，使不同频率的光波会按照波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置，最终使探测光束具有空间啁啾分布特性。接着，利用频谱标识技术，将探测光束经显微物镜3聚焦于被测物体表面，此时探测光斑在物体表面的照射区被探测光束中不同频率的光成分所标记；同时，探测光束再通过同一显微物镜3收集沿原光路返回，利用参考光束与经半透半反镜8反射的探测光束在光电探测器7上进行拍频探测。拍频频率就是参考光束与探测光束经半透半反镜8反射的反射光束的光学频率差。由于发射端光梳I与本地振荡光梳6的重复频率不同，且含有多个频率成分，所以拍频频谱会出现一系列的拍频信号，每一台信号之间的频率间隔就是发射端光梳I与本地振荡光梳6的重复频率差。通过依次比对参考光束与探测光束，及未经过被测物体表面的探测光束产生的对应拍频信号之间的强度变化，即可以确定光斑区域内每一个频率标识的空间位置的凹凸信息。最后，启动二维精密纳米移动电机5带动纳米移动平台4及被测物体移动，逐次在XY空间内扫描被测物体表面，即可得到被测物体表面形貌特征图像信息。对用于产生探测光束的发射端光梳I的飞秒激光光梳光源应满足:( I)重复频率fr精确锁定。( 2 )载波包络相位零频fO精确锁定。(3)飞秒激光光梳光源重复频率frl=100.000132MHz，锁定精度Λ frKlmHz ;载波包络相位零频f01=20MHz，锁定精度AfOKlOmHz ;激光器的中心波长λ =1031nm，光谱宽度为Λ入=10_，即包含纵模频率的个数约为#(:.(Δ λ/λ 2)/fr=7 X 104，其中c为真空光速。对于产生参考光束的本地振荡光梳6的飞秒激光光梳光源应满足:(I)飞秒激光光梳光源的重复频率fr和载波包络相位零频fO同时被精确锁定。(2)重复频率fr2=100.005303MHz,重复频率抖动小于ImHz ;载波包络相位零频f02=f01=20MHz，锁定精度为Af02〈10mHz，中心波长1031nm，光谱宽度为Λ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量物体表面形貌的系统，其特征在于包括发射端光梳（1）、光学色散元件（2）、显微物镜（3）、二维纳米移动平台（4）、二维精密纳米移动电机（5）、本地振荡光梳（6）、光电探测器（7）、半透半反镜（8），所述发射端光梳（1）产生探测光束依次射向光学色散元件（2）、半透半反镜（8）、显微物镜（3）和放置在二维纳米移动平台（4）上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜（8），半透半反镜（8）将反射回来的探测光束反射射向光电探测器（7），所述本地振荡光梳（6）用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜（8）与反射回来的探测光束一起射向光电探测器（7）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁崇智，曾和平，闫明，
申请(专利权)人：广东汉唐量子光电科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：