激光吸收光谱成象技术探讨

　　一、引言

　　普通照相技术、激光全息摄影、遥感及热成象等实质上是光辐射成象技术，因为它们都是由记录被测对象本身的辐射、反射或透射的光谱信息来成象的。 而本文介绍的新的成象技术则基于一种新的吸收光谱技术—激光光声(光热)光谱技术的原理，我们称之为吸收光谱成象技术。该技术实质上是对由于光学吸收所致 的光声和光热编转光谱信息编码成象。激光光声(光热)光谱技术是目前检测物质弱吸收的最灵敏的方法之一，例如对于光学薄膜弱吸收率的检测已达1}’量级 [[3]。光声(光热)信号的大小直接依赖于吸收物质的热导率、密度和比热，又与光源的调制频率呈现一定的关系[[4]。所以由此而建立的这种成象技术不 仅可以高灵敏度地鉴别物质的存在，确定物质的若干物理参数，而且可以直观地显示物质表面和次表面的显微结构，分辨出杂质和缺陷。因此，这种成象技术在现代 科技的发展领域，如材料科学、薄膜技术、超导研究等方面都有着应用前景。而且可预言在一些工程领域的测试应用中，如半导体集成电路的无栩评价和高能激光器 腔镜损伤的检测等各方面显示其优越性。

　　二、成象原理

　　1.光热效应及其检测如图一所示，一束光的强度以一定的频率调制，并聚焦成光点入射在样品上，由于样品对光能的吸收，便在样品中形成①光学吸收 体积VoP。又由于物质分子受激后会部分或全部地以热驰豫的方式消激励，形成②热扩散体积W h。这就是通常所说的光热效应。可以用光学吸收长度拼，和热扩散长度拌.来分别表征这两种体积在样品深度方向的范围。

　　两式中R是样品对照射波长的吸收系数，k,p,c分别表示样品的热导率、密度和比热，f是光源的调制频率是脉冲光的周期。这种对调制光的吸收引 进的周期热源可能引起样品及其周围介质的几种主要效应如图2所示:(1)样品本身温度本身温度升高的热弹变形，它导致样品内的弹性波。(2)由样品向空气 和背景的周期热流，会在与样品一起密封的空气中形成压力波。(3)样品和近样品表面空气中的热透镜镜效应，形成样品和空气中的光学折射率变化。可以用微音 器测量(2)的压力波，或用PZT传感器测量(1)的弹性波，这两者的输出电压即为通常所称的光声信号。(1)和(3)也可用光束偏转法测量，因为由光的 传输特性可知，在变形面上的反射光束及折射率变化区域的透射光都会由此发生偏折。

　　2.光声(光热偏转)信号的信息量和编码成象。光声(光热偏转)信号最初的原由是物质的光吸收。所以，如果使激光进行波长扫描，便可得到反映物 质对各波长不同吸收的光声(光热偏转)光谱。已证明该信号和入射光强及物质在该波长处的吸收系数成正比t,}，于是可得(1)若选定一个波长扫描整个物面 各点以观察它的吸收特性，便可表征出吸收均匀性;(2)使波长扫描和空间点扫描相结合，便可获得完整的物面吸收光谱特性，由此作信号的波长和空间坐标编 码，便可获得物面在各波长的吸收特征。而且根据物质具有特征吸收的原理，从信号的突变点可识别出和主体物质不同的杂质。此外，最感兴趣的还在于光声(光 热)信号能提供次表面的信息，诸如缺陷、杂质等。