光学元件亚表面缺陷光声成像机理及检测方法

Sub-surface defects are existed in the optical elements, wafers, ceramics, functionally gradient material workpieces and so on. Analysis of the subsurface defects is one important link to promote and ensure the precision surface machining quality.Sub-surface defects of optical devices are considered as the impurities, scratches and micro-cracks with depth from hundreds nanometers to hundreds micrometers under the surface generated during contacted producing process. In terms of its special structures of reverse tree and deep vertical extension, it is hard to develop a non-destructive detection method to detect 3-D sub-surface defect distribution..The project proposes to achieve sub-surface defect detection based on photoacoustic imaging technique with the scale of optical resolution and the depth of microns to a hundred of micron under the surface. It does research on photoacoustic imaging mechanism of subsurface defects and explores the sub-surface defect detection method. Using micron order’s spatial resolutions in detecting sub-surface defects as the basic target, the project will try to breakthrough the problem in acquiring and processing the weak photoacoustic signal of sub-surface defects and the problem of micron axial stratification resolution of the testing method. It hopes to realize the detection and characterization of the spatial distribution of the sub-surface defects finally. Such detecting technique can be applied in process analyzing during manufacturing, as well as in monitoring optical components in use.

亚表面缺陷在光学元件、晶片、陶瓷工件、功能梯度材料工件等都有存在。对于这些工件亚表面缺陷的分析是提升和保证精密表面加工质量的重要一环。光学元件亚表面缺陷是指由于接触式加工过程中所产生、存在于表面以下几百纳米至几百微米范围内的杂质、划痕和微裂纹等缺陷的现象。由于光学元件亚表面缺陷特殊的倒树状及较深的纵向延伸结构，使非破坏性的、无损的亚表面缺陷三维分布检测一直没有得到较好解决。. 项目提出了具有光学分辨率尺度、表面下微米到百微米深度的光学元件亚表面缺陷光声成像检测方法，研究光学元件亚表面缺陷光声成像机理，探讨亚表面缺陷检测方法，以实现微米级的亚表面缺陷检测空间分辨率为基本目标，重点突破亚表面缺陷微弱光声信号的采集和处理问题、轴向分层实现方法问题等，实现亚表面缺陷空间分布的量化表征。成果将为光学元件加工工艺研究和元件使用过程状态分析提供一种无损检测手段。

亚表面缺陷在光学元件、晶片、陶瓷工件、功能梯度材料工件等都有存在。对于这些工件亚表面缺陷的分析是提升和保证精密表面加工质量的重要一环。光学元件亚表面缺陷是指由于接触式加工过程中所产生、存在于表面以下几百纳米至几百微米范围内的杂质、划痕和微裂纹等缺陷的现象。由于光学元件亚表面缺陷特殊的倒树状及较深的纵向延伸结构,使非破坏性的、无损的亚表面缺陷三维分布检测一直没有得到较好解决。.项目提出了具有光学分辨率尺度、表面下微米到百微米深度的光学元件亚表面缺陷光声成像检测方法，研究光学元件亚表面缺陷光声成像机理，探讨亚表面缺陷检测方法，以实现微米级的亚表面缺陷检测空间分辨率为基本目标。一年中，项目主要就如下内容开展一些工作：（1）光学元件亚表面缺陷层析重建方法研究，包括建立层析信息与探测信号之间的数学关系，探讨基于单幅图像实现层析重建算法，并以光同轴全息图为例开展了多层样本层析重建实验研究。（2）构建了光声成像基本实验系统，开展了初步的认知实验。（3）基于分析软件开展了物体在声波和激光激发后的物理特性。.项目分析了点源放大、4F系统放大和显微物镜放大等三种主要放大形式的同轴全息压缩传感分层重建的轴向分辨率。以双层样本开展了实验研究，并基于压缩传感理论进行了层析重建。分析和实验结果表明，在合适放大倍率和记录参数下，是可以实现计划的微米级的轴向层析分辨率的；基于项目所建立的光声成像系统，对于金属件、玻璃件开展了初步的超声探测，获得了可以识别工件沟槽和台阶的声波信号，为后续开展实验建立了认知基础；基于COMSOL软件进行了声波和激光照射到材料后所产生的物理现象的仿真，确立了仿真分析的基本方法和流程，为建立方法理论模型提供了有利的分析工具。 .通过项目的研究工作，基本确定了原申请书提出的光声成像亚表面缺陷的理论方向是正确的。本项目组将继续沿着原定方向深入开展项目的研究内容。