一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，該檢測(cè)裝置包括分別與被測(cè)樣品光路連接的泵浦光源、探測(cè)光源和光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器連接有鎖相檢測(cè)單元，所述泵浦光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，所述探測(cè)光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有探測(cè)光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測(cè)單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成。本發(fā)明還提供一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)泵浦光和探測(cè)光分別進(jìn)行調(diào)制并采用級(jí)聯(lián)的鎖相檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)，與單調(diào)制的情況相比，大大降低了檢測(cè)到的噪聲，提高了檢測(cè)過(guò)程的靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【專利說(shuō)明】一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光熱檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]激光誘導(dǎo)光熱技術(shù)(Laser-1nduced photo thermal technique)因?yàn)槠涓哽`敏度、高分辨率、非接觸式等特點(diǎn)，常被用來(lái)對(duì)各類材料的光熱特性、特別是透明光學(xué)材料的微弱吸收特性進(jìn)行分析和檢測(cè)。
[0004]光熱技術(shù)的基本原理是:一束較強(qiáng)的激光(泵浦光)經(jīng)過(guò)材料，材料會(huì)因吸收光能量而導(dǎo)致局部溫度升高,從而引起材料的局部物理特性發(fā)生改變,例如折射率變化、產(chǎn)生熱形變等。在泵浦光一定的情況下，這些物理特性的變化與材料本身的吸收特性是相關(guān)的。通過(guò)對(duì)這些物理特性變化的檢測(cè)可以獲得材料的吸收特性。光熱技術(shù)中常用的檢測(cè)方法是用另一束較弱的激光束(探測(cè)光)經(jīng)過(guò)泵浦光在材料上的照射區(qū)域，由于泵浦光照射而引起的光熱效應(yīng)，探測(cè)光束的光束特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)對(duì)這種變化的檢測(cè)來(lái)獲得該區(qū)域的材料特性。常見(jiàn)的有光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)，即因?yàn)楣鉄嵝?yīng)引起探測(cè)光傳播方向發(fā)生變化；光熱透鏡技術(shù)，即光熱效應(yīng)弓丨起探測(cè)光產(chǎn)生新增的會(huì)聚或發(fā)散，類似增加了一個(gè)“透鏡”。
[0005]在利用光熱檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料吸收特性進(jìn)行檢測(cè)分析時(shí)，由于光熱效應(yīng)所引起的探測(cè)光束特性的變化量往往比較小，甚至小于探測(cè)光束本身的噪聲波動(dòng)，因此一般需要利用鎖相放大技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)泵浦光進(jìn)行周期性的調(diào)制，并以此調(diào)制信號(hào)作為鎖相放大器的參考信號(hào)，利用鎖相放大器來(lái)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)。采用這種方法，大大抑制探測(cè)光束本身的噪聲以及外部環(huán)境噪聲等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可以獲得比較好的檢測(cè)靈敏度。
[0006]但是，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題:首先，泵浦光路的噪聲沒(méi)有消除，包括泵浦光本身的光路波動(dòng)引起的噪聲以及泵浦光在與材料相互作用時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的散射光、熒光等。由于泵浦光本身受到了調(diào)制，這些噪聲源也相應(yīng)地受到了調(diào)制，有時(shí)會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大的干擾，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，一般激光器的噪聲與調(diào)制信號(hào)頻率的關(guān)系遵循Ι/f的規(guī)律，調(diào)制信號(hào)頻率越高，對(duì)應(yīng)的噪聲就越小。理論上，采用高頻信號(hào)調(diào)制可以大大抑制噪聲，但是對(duì)光熱技術(shù)來(lái)說(shuō)，光熱效應(yīng)的激發(fā)產(chǎn)生需要一定的時(shí)間過(guò)程，如果泵浦光的調(diào)制信號(hào)頻率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致有效的光熱信號(hào)大大降低。因此，一般采用較低的調(diào)制信號(hào)頻率對(duì)泵浦光進(jìn)行調(diào)制，通常在幾十赫茲左右。在低調(diào)制信號(hào)頻率下，噪聲比較大，將會(huì)影響整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的靈敏度。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，改善光熱吸收檢測(cè)的信噪比，提高檢測(cè)的靈敏度。[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，包括分別與被測(cè)樣品光路連接的泵浦光源、探測(cè)光源和光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器連接有鎖相檢測(cè)單元，所述泵浦光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，所述探測(cè)光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有探測(cè)光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測(cè)單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成；所述探測(cè)光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)用于第一鎖相放大器的參考信號(hào)，所述泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)用于第二鎖相放大器的參考信號(hào)；所述光電探測(cè)器的輸出端與第一鎖相放大器的輸入端連接，所述第一鎖相放大器的輸出端與第二鎖相放大器的輸入端連接，所述第二鎖相放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集終端連接。
[0010]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，所述泵浦光調(diào)制裝置和探測(cè)光調(diào)制裝置選用光調(diào)制器或者斬波器。
[0011]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，所述探測(cè)光調(diào)制裝置與被測(cè)樣品之間設(shè)有探測(cè)光第一會(huì)聚裝置，所述被測(cè)樣品與光電探測(cè)器之間依次設(shè)有探測(cè)光第二會(huì)聚裝置、探測(cè)光高反射鏡、探測(cè)光濾光裝置、探測(cè)光分光裝置和空間濾波器；所述探測(cè)光分光裝置的反射光路上設(shè)有探測(cè)光功率探測(cè)裝置。
[0012]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，所述泵浦光源與泵浦光調(diào)制裝置之間設(shè)有泵浦光分光裝置，所述泵浦光分光裝置的反射光路上設(shè)有泵浦光功率探測(cè)裝置。
[0013]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，所述泵浦光調(diào)制裝置與被測(cè)樣品之間設(shè)有泵浦光會(huì)聚裝置，所述被測(cè)樣品的后端設(shè)有泵浦光吸收裝置。
[0014]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟:
(1)在探測(cè)光源的輸出光路中引入探測(cè)光調(diào)制裝置對(duì)照射到被測(cè)樣品上的探測(cè)光進(jìn)行調(diào)制，并將該調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率作為第一鎖相放大器的參考信號(hào)頻率輸入，將接收探測(cè)光信號(hào)的光電探測(cè)器的輸出信號(hào)作為第一鎖相放大器的另一輸入信號(hào)；
(2)在泵浦光源的輸出光路中引入泵浦光調(diào)制裝置對(duì)照射到被測(cè)樣品上的泵浦光進(jìn)行調(diào)制，并將該調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率作為第二鎖相放大器的參考信號(hào)頻率輸入，將第一鎖相放大器的輸出信號(hào)作為第二鎖相放大器的另一輸入信號(hào)；
(3)將第二鎖相放大器的輸出信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行后續(xù)分析處理。
[0015]所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，所述步驟(I)中探測(cè)光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于步驟(2)中泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率。
[0016]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過(guò)對(duì)泵浦光和探測(cè)光分別進(jìn)行調(diào)制并采用級(jí)聯(lián)的鎖相檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)，與單調(diào)制的情況相比，大大降低了檢測(cè)到的噪聲，提高了檢測(cè)過(guò)程的靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中采用單調(diào)制鎖相檢測(cè)的原理示意圖；
圖3是本發(fā)明采用雙調(diào)制級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的原理示意圖。
[0018]【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，包括泵浦光源1、泵浦光分光裝置2、泵浦光功率探測(cè)裝置3、泵浦光調(diào)制裝置4、泵浦光聚焦透鏡5、被測(cè)樣品6、泵浦光吸收裝置7、探測(cè)光源8、探測(cè)光第一高反射鏡9、探測(cè)光第二高反射鏡10、探測(cè)光調(diào)制裝置
11、探測(cè)光第一聚焦透鏡12、探測(cè)光第二聚焦透鏡13、探測(cè)光第三高反射鏡14、探測(cè)光濾光裝置15、探測(cè)光分光裝置16、探測(cè)光功率探測(cè)裝置17、空間濾波器18、光電探測(cè)器19、第一鎖相放大器20、第二鎖相放大器21和數(shù)據(jù)采集終端22。泵浦光分光裝置2和探測(cè)光分光裝置16可選用分光片或者分光棱鏡，泵浦光功率探測(cè)裝置3和探測(cè)光功率探測(cè)裝置17可選用功率計(jì)或者功率探測(cè)器，泵浦光調(diào)制裝置4和探測(cè)光調(diào)制裝置11可選用光調(diào)制器或者斬波器，探測(cè)光濾光裝置15可選用濾光片。
[0020]由泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束經(jīng)過(guò)泵浦光分光裝置2被分成兩束，其中一束進(jìn)入到泵浦光功率探測(cè)裝置3，用于對(duì)泵浦光的功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另一束經(jīng)過(guò)泵浦光調(diào)制裝置4后光強(qiáng)受到調(diào)制；調(diào)制后的泵浦光束由泵浦光聚焦透鏡5聚焦到被測(cè)樣品6上，用于激發(fā)光熱效應(yīng)；經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品6出射的剩余的泵浦光束由泵浦光吸收裝置7吸收。
[0021]由探測(cè)光源8發(fā)出的探測(cè)光束依次經(jīng)過(guò)探測(cè)光第一高反射鏡9、探測(cè)光第二高反射鏡10和探測(cè)光調(diào)制裝置11后，由探測(cè)光第一聚焦透鏡12聚焦到被測(cè)樣品6上，與泵浦光照射的區(qū)域重合，經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品6出射的探測(cè)光束依次經(jīng)過(guò)探測(cè)光第二聚焦透鏡13、探測(cè)光第三高反射鏡14，再經(jīng)過(guò)探測(cè)光濾光裝置15濾掉除探測(cè)光以外其它波段的雜散光，從探測(cè)光濾光裝置15出射的探測(cè)光束由探測(cè)光分光裝置16分為兩束，一束進(jìn)入探測(cè)光功率探測(cè)裝置17，用于對(duì)探測(cè)光的功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另一束則經(jīng)過(guò)空間濾波器18后由光電探測(cè)器19進(jìn)行探測(cè)。
[0022]由光電探測(cè)器19輸出的信號(hào)接入第一鎖相放大器20，并以探測(cè)光調(diào)制裝置11的調(diào)制信號(hào)頻率作為第一鎖相放大器20的參考信號(hào)頻率；第一鎖相放大器20的輸出信號(hào)接入第二鎖相放大器21，并以泵浦光調(diào)制裝置4的調(diào)制信號(hào)頻率作為第二鎖相放大器21的參考信號(hào)頻率；第二鎖相放大器21檢測(cè)到的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集終端22采集處理。
[0023]本發(fā)明的工作原理:
如圖2所示，是現(xiàn)有技術(shù)中采用單調(diào)制的鎖相檢測(cè)的示意圖，因?yàn)橹粚?duì)泵浦光進(jìn)行調(diào)制，設(shè)調(diào)制信號(hào)頻率是f2，正如在【背景技術(shù)】中所介紹的，一般f2都比較低?？紤]鎖相放大器本身有一定帶寬，所以在圖2中斜紋部分表示檢測(cè)到的噪聲。如圖3所示，是本發(fā)明采用雙調(diào)制級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的示意圖，對(duì)探測(cè)光和泵浦光分別進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號(hào)頻率分別為和f2。因?yàn)樘綔y(cè)光只是用來(lái)檢測(cè)光熱效應(yīng)，與光熱效應(yīng)的激發(fā)過(guò)程無(wú)關(guān)，所以對(duì)探測(cè)光可以采用較高的調(diào)制頻率，即4>片2，此時(shí)，對(duì)于第一鎖相放大器20所檢測(cè)到的是4+4和f\-f2的信號(hào)，并且鎖相放大器本身相當(dāng)于一個(gè)窄帶濾波器，因此在第一鎖相放大器20的輸出信號(hào)中其它頻段的噪聲都被濾掉了，只留下在4頻段附近的噪聲，并且因?yàn)檫@是在高頻段，噪聲相對(duì)于采用低調(diào)制頻率的單調(diào)制檢測(cè)情況大大降低了。第一鎖相放大器20的輸出信號(hào)接入第二鎖相放大器21，第二鎖相放大器21以f2為參考信號(hào)頻率，相當(dāng)于在f2頻段再次進(jìn)行濾波，濾掉其它頻段的噪聲，圖3中所示的斜紋部分表示第二鎖相放大器21檢測(cè)到的噪聲，與單調(diào)制的情況相比，檢測(cè)到的噪聲大大降低了。
[0024]以上所述實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，包括分別與被測(cè)樣品光路連接的泵浦光源、探測(cè)光源和光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器連接有鎖相檢測(cè)單元，所述泵浦光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有泵浦光調(diào)制裝置，其特征在于: 所述探測(cè)光源與被測(cè)樣品之間設(shè)有探測(cè)光調(diào)制裝置，所述鎖相檢測(cè)單元由第一鎖相放大器和第二鎖相放大器組成；所述探測(cè)光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率用于第一鎖相放大器的參考信號(hào)頻率，所述泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率用于第二鎖相放大器的參考信號(hào)頻率； 所述光電探測(cè)器的輸出端與第一鎖相放大器的輸入端連接，所述第一鎖相放大器的輸出端與第二鎖相放大器的輸入端連接，所述第二鎖相放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集終端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，其特征在于:所述泵浦光調(diào)制裝置和探測(cè)光調(diào)制裝置選用光調(diào)制器或者斬波器。
3.權(quán)利要求1所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，其特征在于:所述探測(cè)光調(diào)制裝置與被測(cè)樣品之間設(shè)有探測(cè)光第一會(huì)聚裝置，所述被測(cè)樣品與光電探測(cè)器之間依次設(shè)有探測(cè)光第二會(huì)聚裝置、探測(cè)光高反射鏡、探測(cè)光濾光裝置、探測(cè)光分光裝置和空間濾波器；所述探測(cè)光分光裝置的反射光路上設(shè)有探測(cè)光功率探測(cè)裝置。
4.權(quán)利要求1所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，其特征在于:所述泵浦光源與泵浦光調(diào)制裝置之間設(shè)有泵浦光分光裝置，所述泵浦光分光裝置的反射光路上設(shè)有泵浦光功率探測(cè)裝置。
5.權(quán)利要求1所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)的光熱檢測(cè)裝置，其特征在于:所述泵浦光調(diào)制裝置與被測(cè)樣品之間設(shè)有泵浦光會(huì)聚裝置，所述被測(cè)樣品的后端設(shè)有泵浦光吸收裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)在探測(cè)光源的輸出光路中引入探測(cè)光調(diào)制裝置對(duì)照射到被測(cè)樣品上的探測(cè)光進(jìn)行調(diào)制，并將該調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率作為第一鎖相放大器的參考信號(hào)頻率輸入，將接收探測(cè)光信號(hào)的光電探測(cè)器的輸出信號(hào)作為第一鎖相放大器的另一輸入信號(hào)； (2)在泵浦光源的輸出光路中引入泵浦光調(diào)制裝置對(duì)照射到被測(cè)樣品上的泵浦光進(jìn)行調(diào)制，并將該調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)作為第二鎖相放大器的參考信號(hào)頻率輸入，將第一鎖相放大器的輸出信號(hào)作為第二鎖相放大器的另一輸入信號(hào)； (3)將第二鎖相放大器的輸出信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行后續(xù)分析處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用級(jí)聯(lián)鎖相檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于:所述步驟(O中探測(cè)光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于步驟(2)中泵浦光調(diào)制裝置的調(diào)制信號(hào)頻率。
【文檔編號(hào)】G01N21/63GK103712960SQ201310730372
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳堅(jiān), 吳令奇, 吳周令 申請(qǐng)人:無(wú)錫利弗莫爾儀器有限公司