微/纳米尺度亚表面缺陷会降低光学元件等透明样品的物理特性，严重影响光学及半导体领域加工制造技术的发展。为了快速、无损检测透明样品亚表面缺陷，本文针对光学元件亚表面内微米量级缺陷的检测需求，提出了一种基于过焦扫描光学显微镜（TSOM）的检测方法。利用可见光光源显微镜和精密位移台，沿光轴对亚表面缺陷进行扫描，得到亚表面缺陷的一系列光学图像。将采集到的图像按照空间位置进行堆叠，生成TSOM图像。通过获得所测特征的最大灰度值来获得亚表面缺陷的定位信息。提出方法对2000 μm深亚表面缺陷的定位相对标准差达到0.12%。该研究为透明样品亚表面缺陷检测及其深度定位提供了一种新方法。

用搭建的微米谱域光学相干层析(SDOCT)系统对玻璃亚表面缺陷进行了深度分辨率、非接触、非破坏性测量,并用建立的单次散射模型对得到的断层图像进行计算,得到玻璃亚表面缺陷的散射系数。实验结果表明,利用散射系数可以有效区分玻璃亚表面不同深度的损伤结构。玻璃亚表面散射系数的深度分辨率测量有利于对玻璃亚表面缺陷光学特性的分析,对于精密光学元件的加工和检测具有重要意义。

为利用光热辐射技术定量检测材料亚表面缺陷的物性和结构参数, 采用有限元分析方法模拟计算了含缺陷材料的稳态波动温度场。通过分析含平底盲孔材料的光热辐射信号, 提出了确定盲孔深度和边界的经验公式, 揭示了光热辐射信号与缺陷形状、热学性质之间的关系。利用光热辐射技术检测直径分别为 1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和深度分别为 0.2 mm、0.4mm的平底盲孔直径和深度。实验结果表明直径检测误差小于 15%, 深度检测误差小于 10%。光热辐射检测实验验证了借助有限元分析实现对缺陷定量检测方法的有效性。

为了建立有效无损的亚表面缺陷探测技术, 本文开展了光学元件亚表面缺陷的荧光成像技术研究, 通过系统优化激发波长、成像光谱、成像光路及探测器等影响探测精度和探测灵敏度的参数, 研制出小口径荧光缺陷检测样机。基于该样机对一系列精抛光熔石英和飞切KDP晶体元件的散射缺陷和荧光缺陷进行了表征, 获得了各类样品亚表面缺陷所占的比重差异很大, 从0.012%到1.1%不等。利用统计学方法分析了亚表面缺陷与损伤阈值的关系, 结果显示, 熔石英亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.907, KDP晶体亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.947, 均属于强相关。该研究结果可评价光学元件的加工质量, 用于指导紫外光学元件加工工艺, 并且由于该探测技术具有无损、快速的特点, 因此可应用于大口径紫外光学元件全口径亚表面缺陷探测, 具有极其重要的工程意义。

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。

提出荧光成像技术用于无损探测熔石英光学元件亚表面缺陷,利用该方法获得不同加工工艺下熔石英光学元件的亚表面缺陷。结合熔石英光学元件损伤性能研究,分析了熔石英光学元件亚表面缺陷与其损伤性能的关联关系。结果表明,熔石英光学元件损伤阈值与荧光缺陷密度呈反比关系,即亚表面荧光缺陷较少的样品损伤性能较好。这说明利用该技术方法可以有效评价熔石英光学元件的损伤性能。该研究结果对光学元件加工技术具有指导意义。

热传导逆问题的研究是亚表面缺陷定量评估与识别的理论基础。本文基于非傅里叶热传导模型的正问题研究，即将材料亚表面温度的正问题计算结果作为实验测试数据，采用Levenberg-Marquart算法对半无限材料中圆柱绝热缺陷的逆问题进行了研究。分析讨论了初始假设、入射频率、热扩散长度等对反演结果的影响，并将LM 算法与最速下降法、牛顿法等其他算法进行了比较。结果表明：初始假设参数不影响LM 算法的有效性；入射频率、热扩散长度等物性参数仅会影响收敛速度的快慢，不影响反演结果的精确性；LM 算法相较于最速下降法和牛顿法具有更大的收敛范围和更快的收敛速度。

为探讨光热辐射(PTR)技术检测金属材料亚表面缺陷的能力, 理论分析了双层材料在强度调制激光束激励下产生的热波幅值和相位, 实验检测了阶梯型钢板样品、铝/钢质盲孔阵列样品和钢质填锡盲孔样品的光热辐射信号。对于直径分别为2.5, 2.0, 1.5 mm, 孔底厚度分别为0.2, 0.4, 0.6 mm的铝质盲孔阵列样品, 实验得到的光热辐射相位分布显示了盲孔直径和孔底厚度的可区分性。对于钢质盲孔阵列样品, 在盲孔填锡前后的光热辐射相位分布显示出一定区别。实验结果表明: 聚焦光斑的光热辐射检测能探测到深度小于或约等于面层材料热扩散长度, 截面积约等于或大于光斑面积的铝或钢内气孔缺陷。

提出了一种基于频域光学相干层析成像(SDOCT)技术的非破坏性玻璃亚表面缺陷(SSDs)定量检测新方法,描述了所搭建SDOCT系统的成像原理和特性, 给出了所重建的玻璃SSDs二维和三维图像。利用所获得的图像, 可以定量获得玻璃SSDs的深度、尺寸和形状。该研究结果对光学零件的加工和应用具有重要意义。