宽视场、点共焦：激光扫描暗场成像技术

光学晶体作为高功率固体激光系统中的核心工作物质，其光学质量的好坏对激光系统频率转换、光增益、光调制等性能具有决定性影响。光学晶体胚块的生长方法，如布里奇曼法、提拉法和溶液法，决定了光学晶体在漫长的生长过程中不可避免地会产生开裂、包裹物、生长条纹、杂质颗粒等宏微观缺陷。这些缺陷随机分布在晶体内部，导致晶体在强激光辐照下产生光热吸收、局域场增强、光学击穿及激光等离子体等现象，降低了晶体的光学质量。因此，在对光学晶体胚块进行切割、粗抛、精抛，形成最终应用于激光系统的晶体器件之前，快速地对大尺寸晶体胚块的宏微观缺陷进行原位检测，准确地掌握缺陷的大小、位置、密度等信息，成为提高晶体器件的光学质量、制备效率以及激光系统工作性能的必要手段。

合肥工业大学仪器科学与光电工程学院卢荣胜教授团队开发了一种用于光学晶体宏微观体缺陷原位检测的激光扫描暗场线共焦成像技术。该工作发表在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第4期上（J.T. Dong, et al. Dark-field line confocal imaging with point confocality and extended line field for bulk defects detection），并被选为当期Editors’ Pick。

研究人员分析了传统暗场线共焦显微成像的不足：（1）“线-线”共焦结构中数值孔径与线视场相互制约，导致线视场仅为“毫米”量级，限制了检测效率；（2）仅在线视场宽度方向有共焦滤波性，在线视场长度方向丧失滤波性，造成共焦性能下降和光信号串扰。针对上述不足，研究团队提出了针对性的解决方案。一种基于柱状椭面镜结构的“点-线”共焦结构，突破了数值孔径与线视场的相互制约，将线视场从“毫米”量级大幅提升到“百毫米”量级。一种激光扫描暗场散射策略，使柱状椭面镜在激光扫描的每一瞬间仍保持“点共焦”性能，克服了传统线共焦中相邻探测位置存在光串扰、共焦性能下降的问题。

激光扫描暗场线共焦成像系统及其性能如图1所示。蒙特卡洛分析和实验表明，成像线视场可达100 mm，光学断层厚度为z方向162 μm、x方向19 μm、y方向22 μm，光学断层厚度均匀性x、y、z方向均优于95%。该系统的“百毫米”线视场和“点共焦”性能大幅提升了体缺陷的检测效率（≥400 mm²/s）和检测灵敏度（≤5 μm）。研究成果有利于突破光学晶体宏微观体缺陷尚无快速、准确的原位检测手段的技术瓶颈，对推动光学晶体优质加工和光学质量评价具有实用价值。

图1（a）暗场线共焦体缺陷成像系统；（b）线视场长度；（c）光学断层厚度及均匀性

卢荣胜，博士，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院教授、博导、斛兵学者，安徽省计量测试学会理事长，无锡维度机器视觉产业技术研究院院长，获国务院政府特殊津贴专家称号。1995、1998年分别从合肥工业大学精密仪器专业获得硕士和博士学位， 1985年安徽机电学院（现安徽工程大学）机械制造专业本科毕业，后在安徽量具刃具厂从事量仪设计等技术工作；1998-2000在天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室做博士后，2001-2006年在香港城市大学、英国Imperial College London、University of Huddersfield从事机器视觉与光学测量方面的研究工作。2006年5月回合肥工业大学任教。主要研究方向为机器视觉与光学精密测量技术。主持国家重大科学仪器应用与开发专项、重点研发计划、国家科技支撑计划、国家863专项、国家自然科学基金，以及其它省部级和产学研项目20余项。已表发表论文200余篇，专著2本，获发明专利20余项，教育部自然科学二等奖1项，其它省部级科技奖3项，培养硕士和博士研究生100余人。

董敬涛，博士，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院副教授、硕导。2008年和2012年于合肥工业大学获学士和博士学位；2012年至2017年于合肥知常光电科技有限公司任研发总监；2017年4月起于合肥工业大学任教；2022年11月起于英国University of Nottingham工程学部制造计量组（MMT）做访问学者。作为负责人主持国家自然科学基金面上项目和青年基金、国家重大科学仪器专项课题、教育部重点实验室开放课题、高功率激光物理重点实验室开放课题、横向委托课题等项目10余项。在Appl. Phys. Lett.、Opt. Lett.、Opt. Express、Chin. Opt. Lett.等SCI期刊以一作发表论文30余篇，多项成果被选为当期亮点和编辑精选文章，并被美国物理联合会作为科学之光进行报道；授权中国发明专利10余项。曾获全国上银优秀机械博士论文佳作奖、中国仪器仪表学会金国藩院士青年学子奖学金一等奖、合肥市科学技术进步三等奖。

科学编辑 | 董敬涛 合肥工业大学