CN108107008B - 一种时域热反射谱测量*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种时域热反射谱测量***。偏振脉冲激光通过光学隔离***后，经准直透镜射入第一分光器件，被第一分光器件分成偏振相互正交的两束激光，分别作为泵浦光和探测光；泵浦光经过电光调制器后，经过第二反射镜射入光学延迟器，再依次经过短波通滤光片、第三反射镜射入第二分光器件，被第二分光器件反射；探测光由光学斩波器调制后，经第四反射镜反射，射入长波通滤光片，然后再经过第三分光器件被反射射入所述第二分光器件，与泵浦光合并为一束激光，共线后的激光经过物镜聚焦至样品表面。本发明的***中避免了使用非线性晶体，以较低的成本实现了泵浦光和探测光在光谱上的完美分离，并大大提高了信噪比。

Description

一种时域热反射谱测量***
技术领域
本发明涉及固体热导率测量技术，尤其涉及一种时域热反射谱测量装置。
背景技术
随着纳米技术的发展，现代工艺所制备的器件尺寸越来越小，热堆积所带来的散热问题愈发明显。同时，新的薄膜材料的不断研发，也急需对新材料相关性能进行准确表征。只有对材料或者微结构的热输运性质进行准确表征，才有可能进一步探寻其热输运机理。
时域热反射谱测量***应运而生，这是一种基于泵浦-探测(pump-probe)的超快光学(ultrafast optics)探测原理、表征材料热学性质的瞬态测量技术，特别是在纳米薄膜、超晶格、纳米界面、纳米颗粒以及微尺度单晶等材料体系的研究中具有明显的优势。在传统的泵浦探测***中，常常加入非线性晶体实现泵浦光和探测光在光谱上的分离。但是非线性晶体光消除率低、成本较高，并且增大了光路校准的难度，使得***结构冗杂且信噪比不高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于避免使用非线性晶体，同时实现泵浦光和探测光在光谱上的分离，并提高信噪比。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种时域热反射谱测量***，偏振激光器输出的偏振脉冲激光通过光学隔离***和第一反射镜后，经准直透镜射入第一分光器件，激光光束被第一分光器件分成偏振相互正交的两束激光，分别作为泵浦光和探测光；所述泵浦光经过电光调制器后，经过第二反射镜射入光学延迟器，再依次经过短波通滤光片、第三反射镜射入第二分光器件，被第二分光器件反射；所述探测光由光学斩波器调制后，经第四反射镜反射，射入长波通滤光片，然后再经过第三分光器件被反射射入所述第二分光器件，与泵浦光合并为一束激光，共线后的激光经过物镜聚焦至样品表面；激光射到样品表面后，其反射的激光透过所述第二分光器件和第三分光器件，然后经过聚焦透镜和带波通滤光片，射入光电探测器，所述光电探测器与射频锁相放大器连接。
本发明的技术效果和优点是：
第一，使用三个不同的滤光片，分别为探测光路短波通滤光片、泵浦光路长波通滤光片、光电探测器前带波通滤光片，能从光谱上将泵浦光和探测光完美地分开，并将泵浦光信号挡在光电探测器前，避免泵浦光对探测结果的影响，可以实现高效准确的测量。
第二，在探测光路加入斩波器，对探测光附加200Hz的调制，配合锁相提取有效信号，进一步提高了信噪比。
第三，本发明的***中最终避免了使用倍频晶体，降低了设备成本和光路的调整难度。
附图说明
图1为本发明的时域热反射谱测量***的结构图，其中，1-偏振激光器；2-第一半波片；3-法拉第旋转器；4-第二半波片；5-第一反射镜；6-第一分光器件；7-准直透镜；8-电光调制器；9-锁相放大器；10-光学位移延迟器；11-光电探测器；12-第四反射镜；13-斩波器；14-长波通滤光片；15-第二反射镜；16-第三反射镜；17-样品台；18-物镜；19-第二分光器件；20-第三分光器件；21-短波通滤光片；22-聚焦透镜；23-带波通滤光片。
具体实施方式
本发明提供的一种时域热反射谱测量***的技术思路是：利用三片不同的滤光片并配合斩波器，对泵浦光和探测光加以不同的调制，将两束光在光谱上分开；同时使用锁相放大器提取有效的探测光信号，避免了泵浦光对探测结果的影响，进一步消除噪声信号，提高信噪比，最终实现准确而稳定可靠的测量。
下面配合图1对本发明加以详细说明，应指出的是，描述的实例仅为了便于加强对本发明的理解，而对其没有任何限定作用。
如图1所示，偏振激光器1采用波长为690nm～1020nm的飞秒光纤激光器，脉冲宽度140fs，重复频率80MHz，总功率3w。使用时采取774±6nm的红外光波段作为原始出射激光。
第一分光器件6和第二分光器件19采取偏振分光镜，第三分光器件20采取50:50的分光镜。
第一反射镜5、泵浦光路的第二反射镜15、泵浦光路的第三反射镜16、探测光路的第四反射镜12均采取45度的激光反射镜。
第一半波片2、法拉第旋转器3和第二半波片4共同构成光学隔离器。光学隔离***可以防止反射光进入激光器谐振腔引起激光输出功率的波动。
准直透镜7的焦距为2m。
光学延迟器10是一个电控位移平台，其位移精度为每步1mm，行程为600mm，实现0～4ns的时间延迟。
斩波器13对探测光加以200Hz的调制。
光电探测器11使用硅基光电探测器。
锁相放大器9提取被斩波器加以200Hz调制的探测光信号，更有效地消除了泵浦光和射频串扰信号的干扰，得到稳定而可靠的实验数据。
长波通滤光片14截止波长为776nm，短波通滤光片21的截止波长为770nm，带波通滤光片23的通过波段为779±2nm。
样品台17采用的是低温样品台，可以实现50K～300K的测量。
偏振激光器1输出的偏振脉冲激光波段为774nm±6nm，通过第一半波片2之后，偏振方向发生改变，再通过法拉第旋转器3使得光的偏振方向顺时针旋转45度，然后再通过透振方向为45度的第二半波片4。同时，通过旋转第一半波片2可以改变输入***的激光总功率，而旋转第二半波片4可以改变泵浦光和透射光的光强比。
激光光束经过光学隔离***后由第一反射镜5反射射入准直透镜7，然后被偏振分光镜6分成偏振相互正交的两束激光，分别为泵浦光和探测光。
垂直于水平面偏振的激光，也就是泵浦光经过电光调制器8，其振幅被调制成射频正弦波，但不会改变其偏振方向，随后，经过泵浦光路的第二反射镜15射入行程为600nm的光学延迟器10，光学延迟器10的电控位移平台由外部电脑控制，将连续调节泵浦光的光程，实现0～4ns的时间延迟。泵浦光再经过短波通滤光片21，由于本实施例中短波通滤光片21截止波长为770nm，因此泵浦光波段限制为768nm-770nm，然后再经过泵浦光路的第三反射镜16射入第二分光器件19，由于仍保持其垂直于水平面偏振，被第二分光器件19反射，经过焦距2cm的物镜18聚焦至样品台17的样品表面。
另一束偏振方向与水平面平行的激光即为探测光，受到光学斩波器13施加的200Hz的调制，经过探测光路的第四反射镜12的反射，射入长波通滤光片14，由于其截止波长为776nm，透过的探测光波长变为768-770nm，然后再射入第三分光器件20，被反射射入第二分光器件19。
通过调节第三分光器件20和泵浦光路的第三反射镜16，使得探测光和泵浦光合并为一束激光，共线后的激光经过物镜18聚焦，射到样品台17上的样品表面。而激光射到样品表面后，其反射的激光透过第二分光器件19、第三分光器件20，经过聚焦透镜23，再经过一个带波通滤光片23，由于带通波段779±2nm，只有探测光的能通过，因此选择性的滤掉了波长为768-770nm的泵浦光，消除了泵浦光的影响。最终，只有探测光信号的激光射入光电探测器11。而射频锁相放大器9将用于分析光电探测器11收到的反射光信号。本实施例中利用Labview编译锁相分析程序，消除噪音信号，提取出被斩波器13附加了200Hz调制的探测光信号。
电光调制器8、光学延迟器10、锁相放大器9以及光电探测器11同步运行，得到不同温度、不同延迟时间的反射激光信号，并使用程序控制，可实现全自动化的光程差调节、信号同步、样品温度控制和数据采集，最终反推出材料的热学特性。
以上所述，仅为发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围之内，可理解想到的交换或替换，都应涵盖在本发明所包含的范围之内。

Claims (5)

1.一种时域热反射谱测量***，其特征在于，偏振激光器(1)输出的偏振脉冲激光通过光学隔离***和第一反射镜(5)后，经准直透镜(7)射入第一分光器件(6)，激光光束被第一分光器件(6)分成偏振相互正交的两束激光，分别作为泵浦光和探测光；
所述泵浦光经过电光调制器(8)后，经过第二反射镜(15)射入光学延迟器(10)，再依次经过短波通滤光片(21)、第三反射镜(16)射入第二分光器件(19)，被第二分光器件(19)反射；
所述探测光由光学斩波器(13)调制后，经第四反射镜(12)反射，射入长波通滤光片(14)，然后再经过第三分光器件(20)被反射射入所述第二分光器件(19)，与泵浦光合并为一束激光，共线后的激光经过物镜(18)聚焦至样品表面；
激光射到样品表面后，其反射的激光透过所述第二分光器件(19)和第三分光器件(20)，然后经过聚焦透镜(22)和带波通滤光片(23)，射入光电探测器(11)，所述光电探测器(11)与射频锁相放大器(9)连接；
所述长波通滤光片(14)的截止波长为776nm，所述短波通滤光片(21)的截止波长为770nm，所述带波通滤光片(23)的通过波段为779±2nm，所述斩波器(13)的频率为200Hz。
2.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量***，其特征在于，所述偏振激光器(1)是波长为690nm～1020nm的飞秒光纤激光器，其脉冲宽度为170fs，重复频率为80MHz，功率为3w。
3.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量***，其特征在于，所述光学隔离***包括一个法拉第旋转器和两片半波片。
4.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量***，其特征在于，所述光学延迟器(10)的步进精度为1mm，位移长度为60cm，对应的光学延迟时间为0～4ns。
5.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量***，其特征在于，所述第一反射镜(5)、第二反射镜(15)、第三反射镜(16)和第四反射镜(12)均采用45°激光反射镜。
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