掌握光热位移检测技术的关键方法

当一束功率为P₀的激光照射一试样表面时，试样吸收光能而使自己加热。同时，加热部位因受热而膨胀，使试样发生形变，相当于试样的表面产生了位移。如果用另一束光入射到表面的形变区来检测该表面的形变和位移，就可直接检测出试样的受热程度。信号与试样的热物性、光吸收性能有关。这种用光束检测光热位移的技术，其信号的线性动态范围大，而且也是非接触式的。该技术具有区分表面吸收和体吸收的能力，并且比其他光热技术具有更强的定位性，因此它也是一种能用于显微镜、光热成像和进行深度分布无损检测的新技术。例如它能对真空中超晶格结构薄膜或真空蒸镀膜等进行检测和研究。

试样因吸收光而使表面产生形变，这种表面形变是很小的，一般约为10^-3nm。光热位移的示意图如图7.1-15所示。

图7.1-15 光热位移的示意图

一束截面积为A、功率为P₀、强度以频率f调制的加热（泵）光束入射到试样表面上，试样对该光波的吸收系数为β。如果光吸收的有效厚度为l₁，试样的热扩散长度为μ₁，那么试样吸收的热量将集中在表面以下_μ1厚度内。忽略热量的横向扩散，这时，试样的温度增量T₁为

式中 βl₁P₀/2f——试样吸收的能量；

ρ₁和c₁——试样的密度和比热容。

由于温度上升，对于线膨胀系数为α_T的试样，在长度μ₁上的总长度增量（即试样表面位移的最大幅值）u_Z0为

若用一激光干涉仪，便测到了这个热位移。还有一种做法是用一束激光以倾角φ入射到试样表面形变区，由于试样表面的位移和弯曲，反射光束将发生偏转。测出这个反射光束的偏转，也相应地得知了试样的位移和形变。这就是光偏转检测技术。由图7.1-15可知：反射光束的偏转S有两部分组成。S₁由表面热位移u_Z产生，S₂是由表面弯曲产生的。若检测光以倾角φ入射在表面r处，则有

S₁=2u_Z（r）cosφ （7.1-8）

若r点处表面弯曲的斜率为，由几何光学可知，反射光束将因表面法线旋转θ_r角而旋转2θ_r。因此在θ_r很小时，S₂为

反射光的总偏移为(www.xing528.com)

通常，由于u_Z（r）和∂u_Z（r）/∂r都很小，但L可以选大些，所以光束的偏移S中，以S₂的贡献为大，大约要大L/a_b倍。典型值L/a_b≈5000，a_b为泵光束的半径。在小变形的情况下，u_Z（r）及∂u_Z（r）/∂r与u_Z0成正比，因此检测光束的反射偏转S也直接与试样的光学、热学和力学量有关。

用复杂模型可求得试样表面位移和表面斜率的一般表达式。根据这个一般表达式，可推得下述结果：

1）如果激光束的半径a_b远大于试样的热扩散长度，则得出其位移正比于泵光束功率P₀、热膨胀系数α_T，反比于光照射面积πa²_b、调制频率f及试样的密度ρ₁和比热容c₁，而且表面位移的分布和光强的分布一样，也是高斯分布。而其斜率的最大值发生在r=a_b/2处。

2）当试样的热扩散长度远大于a_b时，也相当于在低调制频率时，则表面位移的斜率的最大值发生在r=a_b处。

在光热位移检测技术中，采用反射光束偏转法，所得信号的大小反映的是位移的斜率。从上面的结果可见，斜率与检测光束的检测点的位置有关。因此，根据实际检测时的具体情况，选好检测点的位置也很重要。这种反射光偏转的检测技术即所谓的调制反射技术，测到的信号是与光热位移联系起来的。

现在来估算一下光热位移的大小。若激光功率P_b=1mW，ab=100μm，f=320Hz，将此激光束射到一硅片上，并全部被吸收。经估算，得到最大位移u_ZP约为0.026nm，最大斜率约为8.6×10^-7。尽管其形变是如此之小，但实验表明，这微小的变化是可以检测到的。

下面对光偏转检测技术的检测系统做些讨论。图7.1-16是一个紧凑的光偏转检测装置。接收光的光探测器可用光电倍增管、光电二极管、硅光电池等能量检测器，它们的输出与入射到探测器敏感元表面上的光能成正比。如果探测器中只有一个敏感元，则称为单象限光电探测器；如果探测器包含四个灵敏元，则称为四象限探测器；如果在进行光偏转检测时，四象限探测器中两个光敏元组成一差动输出，则它就成为双象限光电探测器。

图7.1-16 光偏转检测装置

在双象限探测器中，为了使差动输出电压ΔV正比于两象限接收光功率之差，必须在检测前仔细调节电位器，使M₁R₁=M₂R₂=M₀R₀。其中，M₁为灵敏元Ⅰ的电流响应率；R₁为灵敏元Ⅰ的输出负载电阻；M₂及R₂分别是灵敏元Ⅱ的电流响应率和输出负载电阻。同时，在探测光束未偏转时，调节双象限光电探测器的位置，让它对准探测光束的光斑中心，使ΔV=M₀R₀（P₁-P₂）=0。当光热效应使检测光束偏转φ角时，在距离试样d处的光电探测器上，光斑有一个很小的位移Δx，因为φ小d又较大，于是有Δx=φd。经过推算，此时相应探测器上的差动输出电压ΔV为

从式（7.1-11）中可以看出，双象限光电探测器的差动输出正比于光束偏转角φ；P₀为检测光束的光功率；a₀为与检测光束半径a有关的量。在几百赫的频率范围内，对于典型的激光参数，可检测到的偏转。光偏转检测技术较简单、灵敏。双象限探测时，不仅提高了检测灵敏度，同时也使探测光束的强度起伏对偏转检测的影响得以抵消，提高了检测系统的稳定性。