CN109444212B - 一种近场热反射测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种近场热反射测量装置，该近场热反射测量装置包括：激光发生器、光束校正***、近场测量***和计算机；激光发生器发射激光信号至光束校正***；光束校正***对激光信号的方位进行校正，并将校正后的激光信号传输至近场测量***；近场测量***根据校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将电信号传输至计算机；计算机根据电信号和预先存储的激光信号的光强得到待测样品的热物性信息。通过实施本发明，不仅能够减小环境震动的影响，还能减除由各个光学元器件本身不稳定性带来的对光束传输方位的影响，保证了近场热反射测量装置的可靠性和准确度。

Description

一种近场热反射测量装置
技术领域
本发明涉及热导率测试技术领域，具体涉及一种近场热反射测量装置。
背景技术
随着微电子/光电子等器件特征尺度的减小、集成度的提高和运行速度的增加，器件/芯片中产生的单位热损失日益严重，温升加快，热点温度上升，严重影响器件/芯片的性能和可靠性。为此，需要合理的热设计和材料、电路布局是将器件快速产生的热有效导出，对构成器件的多层微纳米薄膜和结构的热物性的测量是实现这一目的的关键一步。
采用近场光学显微镜(SNOM)的近场热反射测量装置，利用纳米尺度的光学探针在距离样品表面几个纳米的近场区扫描，可以获得几十纳米的超高空间分辨，基于近场技术的热反射测量方法可以在横向获得纳米级的测量精度，由于近场探针孔尺寸很小，为了实现准确测量，要求入射激光束与近场探针具有很好的对准精度，即要求光束具有很好的稳定性，并且在进入近场探针时保持良好的位置和角度。而由于该装置存在很多导致光束不稳定的因素，比如激光器本身的不稳定性，光束传递***中光机元件的不稳定性，外界温度、噪声以及震动的影响等，这些不稳定因素使得近场热反射测量装置中抽运光和探测光在运行过程中偏离预设光轴，不能进入或只是部分进入近场探针孔，难以保障近场热反射测量装置的可靠性和准确度。
现有的热反射测量装置通过将光学组件置于气浮等减震光学平台上，但是这种方法的主要作用是减小环境震动的影响，不能减除由各个光学元器件本身不稳定性带来的对光束传输方位的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种近场热反射测量装置，用以解决现有热反射测量装置只能减小环境震动的影响，不能减除由各个光学元器件本身不稳定性带来的对光束传输方位的影响的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面，提供了一种近场热反射测量装置，所述近场热反射测量装置包括：激光发生器、光束校正***、近场测量***和计算机；所述激光发生器发射激光信号至所述光束校正***；所述光束校正***对所述激光信号的方位进行校正，并将校正后的激光信号传输至所述近场测量***；所述近场测量***根据所述校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将所述电信号传输至所述计算机；所述计算机根据所述电信号和预先存储的所述激光信号的光强得到所述待测样品的热物性信息。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述光束校正***包括：反射镜、分束器和位置传感器；所述反射镜对所述激光信号进行反射，并将反射后的激光信号传输至所述分束器；所述分束器对所述反射后的激光信号进行分光，并将所述分束器反射的激光信号传输至所述位置传感器；所述位置传感器接收所述分束器反射的激光信号，得到所述分束器反射的激光信号的位置信息，并将所述位置信息传输至所述计算机；所述计算机将所述位置信息与预设位置信息进行对比，根据对比结果调整所述反射镜的方位。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述光束校正***还包括：光电探测器；所述光电探测器对所述校正后的激光信号进行监测，得到所述校正后的激光信号的光强，并将所述校正后的激光信号的光强传输至所述计算机；所述计算机根据所述校正后的激光信号的光强对所述预先存储的所述激光信号的光强进行修正。
结合第一方面第一实施方式或第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述近场热反射测量装置还包括：光传输***，设置于所述激光发生器和所述光束校正***之间，所述光传输***包括第一分束器、倍频器、光学延迟台和电光调制器；所述第一分束器将所述激光信号分为探测光和抽运光，并将所述探测光和所述抽运光分别传输至所述倍频器和所述电光调制器；所述倍频器对所述探测光进行倍频，并将倍频后的探测光传输至所述光学延迟台；所述光学延迟台包括回射器，通过所述回射器的移动调整所述探测光的光程，并将调整后的探测光传输至所述光束校正***；所述电光调制器对所述抽运光进行电光调制，并将调制后的抽运光传输至所述光束校正***。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式，所述光束校正***包括：第一校正模块和第二校正模块；所述第一校正模块对所述调整后的探测光的方位进行校正，并将校正后的探测光传输至所述近场测量***；所述第二校正模块对所述调制后的抽运光的方位进行校正，并将校正后的抽运光传输至所述近场测量***。
结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述第一校正模块和所述第二校正模块均包括：两个反射镜、两个分束器和两个位置传感器。
结合第一方面第三实施方式至第五实施方式中任一实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述近场热反射测量装置还包括：第二分束器，设置于所述光束校正***和所述近场测量***之间，用于将所述校正后的探测光和所述校正后的抽运光进行合束，并将合束后的激光信号传输至所述近场测量***。
结合第一方面第六实施方式，在第一方面第七实施方式中，所述近场测量***包括：近场探测***和光电检测处理***；所述近场探测***将所述校正后的激光信号照射于待测样品，并将所述待测样品反射的激光信号传输至所述光电检测处理***；所述光电检测处理***根据所述待测样品反射的激光信号得到所述表征待测样品的热物性信息的电信号，并将所述电信号传输至所述计算机。
结合第一方面第七实施方式，在第一方面第八实施方式中，所述近场探测***包括：物镜、近场探针和三维工件台，所述待测样品安装于所述三维工件台上；所述物镜对所述合束后的激光信号进行会聚，并收集所述合束后的激光信号的反射信号，将所述合束后的激光信号的反射信号传输至所述光电检测处理***，所述合束后的激光信号的反射信号为会聚后的激光信号经所述近场探针入射至所述待测样品表面后反射得到。
结合第一方面第八实施方式，在第一方面第九实施方式中，所述光电检测处理***包括滤光片、光电倍增管和锁相放大器；所述滤光片将所述合束后的激光信号的反射信号中的抽运光滤除，并将得到的所述反射信号中的探测光传输至所述光电倍增管；所述光电倍增管将所述反射信号中的探测光转换为所述电信号，并将所述电信号传输至所述锁相放大器；所述锁相放大器采集所述电信号中与所述调制后的抽运光同频率的信号分量，并将采集的所述信号分量传输至所述计算机。
本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：
本发明实施例提供了一种近场热反射测量装置，该近场热反射测量装置通过光束校正***对激光发生器发射的激光信号的方位进行校正，近场测量***根据校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将电信号传输至计算机，计算机根据电信号和预先存储的激光信号的光强得到待测样品的热物性信息。本发明实施例提供的近场热反射测量装置不仅能够减小环境震动的影响，还能减除由各个光学元器件本身不稳定性带来的对光束传输方位的影响，保证了近场热反射测量装置的可靠性和准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中近场热反射测量装置的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例中近场热反射测量装置的另一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种近场热反射测量装置，如图1所示，近场热反射测量装置包括：激光发生器100、光束校正***300、近场测量***和计算机；激光发生器100发射激光信号至光束校正***300，激光发生器100可以是采用输出波长为800纳米的飞秒级脉冲激光发生器，发射的脉冲激光信号的宽度和重复频率分别为100飞秒和80兆赫兹；光束校正***300对激光信号的方位进行校正，并将校正后的激光信号传输至近场测量***；近场测量***根据校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将电信号传输至计算机；计算机根据电信号和预先存储的激光信号的光强得到待测样品的热物性信息。
本发明实施例提供的近场热反射测量装置，通过光束校正***300对激光发生器100发射的激光信号的方位进行校正，近场测量***根据校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将电信号传输至计算机，计算机根据电信号和预先存储的激光信号的光强得到待测样品的热物性信息，不仅能够减小环境震动的影响，还能减除由各个光学元器件本身不稳定性带来的对光束传输方位的影响，保证了近场热反射测量装置的可靠性和准确度。
在一较佳实施例中，上述光束校正***300包括：反射镜、分束器和位置传感器；反射镜对激光信号进行反射，并将反射后的激光信号传输至分束器；分束器对反射后的激光信号进行分光，并将分束器反射的激光信号传输至位置传感器；位置传感器接收分束器反射的激光信号，得到分束器反射的激光信号的位置信息，并将该位置信息传输至计算机；计算机将该位置信息与预设位置信息进行对比，根据对比结果调整反射镜的方位。
需要说明的是，上述光束校正***300的工作过程为闭环运行的过程，计算机根据对比结果调整反射镜的方位后，光束再次经反射镜和分束器反射至位置传感器，位置传感器再次将位置信息传输至计算机，计算机将其与预设位置信息进行对比，直至得到的位置信息与预设位置信息相同，停止对反射镜方位的调整。
需要说明的是，在光束校正***300闭环运行之前，经过调试和对准的热反射测量装置处于良好工作状态，位置传感器将调试好的光路的位置信息传输至计算机作为上述预设位置信息，计算机根据位置传感器传输的位置信息与预设位置信息的对比结果调整反射镜的方位可以是采用现有技术中的方法，此处不再详述。
在一较佳实施例中，如图2所示，上述光束校正***300还包括：光电探测器31；光电探测器31对校正后的激光信号进行监测，得到校正后的激光信号的光强，并将校正后的激光信号的光强传输至计算机；计算机根据校正后的激光信号的光强对上述预先存储的激光信号的光强进行修正。
在一较佳实施例中，如图1和图2所示，本发明实施例提供的近场热反射测量装置还包括：光传输***200，设置于激光发生器100和光束校正***300之间，光传输***200包括：第一分束器2、倍频器3、光学延迟台6和电光调制器17；第一分束器2将激光信号分为用于探测待测样品400纳米波长的探测光和用于加热待测样品的800纳米波长的抽运光，并将探测光和抽运光分别传输至倍频器3和电光调制器17；倍频器3对探测光进行倍频，并将倍频后的探测光传输至光学延迟台6；光学延迟台6为由计算机控制安装有回射器的电控光学延迟台，通过回射器的高精度运动可以调整探测光的光程，从而调整抽运光和探测光的光程差，并将调整后的探测光传输至光束校正***300，用以调整探测光和抽运光到达待测样品的时间差，一微米的光程差可以实现3.3飞秒的时间差，实现高时间分辨率的动态测量；电光调制器17对抽运光进行电光调制，并将调制后的抽运光传输至光束校正***300。光传输***200将脉冲激光分为用于探测待测样品的探测光和用于加热待测样品的抽运光，并对探测光倍频，对抽运光调制，能够使后续近场测量***将抽运光和探测光有效分离并获得高信噪比的、反映待测样品热物性的数据。
在一较佳实施例中，如图1和图2所示，上述光束校正***300包括：第一校正模块301和第二校正模块302；第一校正模块301对调整后的探测光的方位进行校正，并将校正后的探测光传输至近场测量***；第二校正模块302对调制后的抽运光的方位进行校正，并将校正后的抽运光传输至近场测量***。第一校正模块301和第二校正模块302均包括：两个反射镜、两个分束器和两个位置传感器，第一校正模块301包括：反射镜9、反射镜10、分束器11、分束器12、位置传感器15和位置传感器16，第二校正模块302包括：反射镜19、反射镜20、分束器21、分束器22、位置传感器25和位置传感器26。
在一较佳实施例，如图2所示，本发明实施例提供的近场热反射测量装置还包括：第二分束器14，设置于光束校正***300和近场测量***之间，用于将校正后的探测光和校正后的抽运光进行合束，并将合束后的激光信号传输至近场测量***。
在一较佳实施例中，如图2所示，上述近场测量***包括：近场探测***400和光电检测处理***500；近场探测***400将校正后的激光信号照射于待测样品，并将待测样品反射的激光信号传输至光电检测处理***500；光电检测处理***500根据待测样品反射的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将电信号传输至计算机。
在一较佳实施例中，如图2所示，上述近场探测***400包括：物镜32、近场探针33和三维工件台35，待测样品34安装于三维工件台35上，通过控制三维工件台35的移动，装载在三维工件台35上的待测样品34与近场探针33始终保持恒定的距离，通常小于20纳米；物镜32对合束后的激光信号进行会聚，并收集合束后的激光信号的反射信号，将合束后的激光信号的反射信号传输至光电检测处理***500，合束后的激光信号的反射信号为会聚后的激光信号经近场探针33光阑孔入射至待测样品34表面后反射得到，近场探针33的光阑孔直径约在100纳米-500纳米范围，待测样品34吸收透过近场探针33光阑孔的抽运光而升温，探测光经近场探针33光阑孔后也照射在抽运光作用的待测样品区域，被待测样品34反射的抽运光和探测激光再经近场探针33光阑孔返回，由物镜32收集。
在一较佳实施例中，如图2所示，上述光电检测处理***500包括：滤光片28、光电倍增管29和锁相放大器36；滤光片28将合束后的激光信号的反射信号中的抽运光滤除，并将得到的反射信号中的探测光传输至光电倍增管29；光电倍增管29将反射信号中的探测光转换为电信号，并将该电信号传输至锁相放大器36；锁相放大器36采集电信号中与调制后的抽运光同频率的信号分量，并将采集的信号分量传输至计算机。
下面结合图2对本发明实施例提供的近场热反射测量装置的具体原理进行详细说明。
激光反生器100发出的脉冲激光经光传输***200的第一分束器2分成两束激光，一路激光经倍频器3倍频成为探测光，探测光用来感知待测样品的热反射信息，一路作为抽运光，用来加热样品。近场热反射测量装置在运行过程中，由于激光器、光学元件和运动部件的不稳定性，导致抽运光和探测光偏离了预先设定的光轴，光强发生变化。光束校正***300中设置的两个光束校正模块分别对探测光和抽运光进行校正，每个光束校正模块包括两个反射镜，一个反射镜可以在X,Y两个维度调整光束方向，两个反射镜组合可实现X,Y位置和α,β角度四个维度的调整；每个光束校正模块包括两个位置传感器，一个位置传感器可以定义光点的空间位置，两个位置传感器可以定义光束的位置和传播方向。所以两个双轴可调反射镜和两个位置传感器可以实现光在任意方位的调整，可以将光束校正，按预设光轴传播。热反射测量装置测量的一个关键参量是探测光的光强，当激光发生器100发射的激光信号以及光传输***200不稳定时，探测光光强发生变化，为了消除光强不稳定性的影响，光束校正***300中还设置有光电探测器31，用于实时监测光强，并传输至计算机对预先存储的激光信号的光强进行修正，以消除光束不稳定性对测量结果的影响，保证探测的热反射信号的准确性。
需要说明的是，本发明实施例中提到的计算机未在图1和图2中示出，本领域技术人员应理解，计算机与上述光学延迟台6、各位置传感器、光电探测器31以及锁相放大器36的连接关系、信号传递过程等，均可以采用现有技术中的方法，本发明实施例对此不做限定。
下面结合图2对本发明实施例提供的近场热反射测量装置的具体实现过程进行说明。
脉冲激光器100产生800纳米波长脉冲激光束，经第一分束器2得到两束光，第一激光束经倍频器3得到波长为400纳米的脉冲激光，第一激光束用作传感样品热物性等参数的探测光，经反射镜4和反射镜5改变方向照射到光学延迟台6上，光学延迟台6中回射器的移动由计算机控制，根据探测光和抽运光之间的延时移动到相应位置，然后经反射镜7、反射镜8、反射镜9、反射镜10、分束器11、分束器12、反射镜13后入射到第二分束器14，经分束器11反射的激光照射到位置传感器15，经分束器12反射的激光照射到位置传感器16，位置传感器15和位置传感器16将测得的位置信息反馈给到计算机，计算机根据实时监测的位置信息控制和驱动反射镜9和反射镜10使位置传感器15和位置传感器16测得的探测光位置与预设的一致；来自第一分束器2的第二激光束用作抽运光，抽运光经电光调制器17后成为调制脉冲激光，电光调制器17输出的调制脉冲激光经过反射镜18、反射镜19、反射镜20、分束器21，分束器22、反射镜23、反射镜24后入射到第二分束器14，经分束器21反射的激光照射到位置传感器25，经分束器22反射的激光照射到位置传感器26，位置传感器25和位置传感器26将测得的位置信息反馈给到计算机，计算机根据实时监测的位置信息控制和驱动反射镜19和反射镜20使位置传感器25和位置传感器26测得的抽运光位置与预设的一致。由第二分束器14合束的探测光和抽运光经分束器27、分束器30照射到物镜32，会聚后照射到近场探针33，经近场探针33的光阑孔入射到待测样品34表面，待测样品34安装在三维工件台35上。来自分束器30的部分反射光进入光电探测器31，光电探测器31监测进入物镜32的激光光强稳定性，并将监测的激光光强传输至计算机。从待测样品34表面反射的抽运光和带有样品热物性参数信息的探测光经近场探针33的光阑孔返回，由物镜32收集，经分束器30、分束器27、滤光片28，进入光电倍增管29，滤光片28将抽运光滤除，光电倍增管29将收集到的探测光转换为电信号，该电信号连接到锁相放大器36，锁相放大器36的输出信号传输至计算机，计算机根据该输出信号和修正后的预先存储的激光信号的光强获得热物性等参数。
需要说明的是，计算机根据上述锁相放大器的输出信号和修正后的预先存储的激光信号的光强得到待测样品的热物性信息，可以是采用现有技术中的方法，该部分内容不属于本发明实施例的重点，此处不再详述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种近场热反射测量装置，其特征在于，包括：激光发生器、光束校正***、近场测量***和计算机；
所述激光发生器发射激光信号至所述光束校正***；
所述光束校正***对所述激光信号的方位进行校正，并将校正后的激光信号传输至所述近场测量***；
所述近场测量***根据所述校正后的激光信号得到表征待测样品的热物性信息的电信号，并将所述电信号传输至所述计算机；
所述计算机根据所述电信号和预先存储的所述激光信号的光强得到所述待测样品的热物性信息；
其中，所述装置还包括：光传输***，设置于所述激光发生器和所述光束校正***之间，所述光传输***包括第一分束器、倍频器、光学延迟台和电光调制器；
所述第一分束器将所述激光信号分为探测光和抽运光，并将所述探测光和所述抽运光分别传输至所述倍频器和所述电光调制器；
所述倍频器对所述探测光进行倍频，并将倍频后的探测光传输至所述光学延迟台；
所述光学延迟台包括回射器，通过所述回射器的移动调整所述探测光的光程，并将调整后的探测光传输至所述光束校正***；
所述电光调制器对所述抽运光进行电光调制，并将调制后的抽运光传输至所述光束校正***。
所述光束校正***包括：第一校正模块和第二校正模块；
所述第一校正模块对所述调整后的探测光的方位进行校正，并将校正后的探测光传输至所述近场测量***；
所述第二校正模块对所述调制后的抽运光的方位进行校正，并将校正后的抽运光传输至所述近场测量***；
所述第一校正模块和所述第二校正模块均包括：两个反射镜、两个分束器和两个位置传感器；
其中，在所述第一校正模块中，所述两个反射镜用于对所述调整后的探测光依次进行反射，并将反射后的探测光传输至两个分束器；两个分束器依次对所述反射后的探测光进行分光，并分别将分束器反射的探测光传输至对应的位置传感器；用于计算机根据位置信息控制和驱动两个反射镜，使得两个位置传感器测得的探测光的位置与预设一致；
在所述第二校正模块中，所述两个反射镜用于对所述调制后的抽运光依次进行反射，并将反射后的抽运光传输至两个分束器；两个分束器依次对所述反射后的抽运光进行分光，并分别将分束器反射的抽运光传输至对应的位置传感器，用于计算机根据位置信息控制和驱动两个反射镜，使得两个位置传感器测得的抽运光的位置与预设一致。
2.根据权利要求1所述的近场热反射测量装置，其特征在于，所述光束校正***还包括：光电探测器；
所述光电探测器对所述校正后的激光信号进行监测，得到所述校正后的激光信号的光强，并将所述校正后的激光信号的光强传输至所述计算机；
所述计算机根据所述校正后的激光信号的光强对所述预先存储的所述激光信号的光强进行修正。
3.根据权利要求1所述的近场热反射测量装置，其特征在于，还包括：第二分束器，设置于所述光束校正***和所述近场测量***之间，用于将所述校正后的探测光和所述校正后的抽运光进行合束，并将合束后的激光信号传输至所述近场测量***。
4.根据权利要求3所述的近场热反射测量装置，其特征在于，所述近场测量***包括：近场探测***和光电检测处理***；
所述近场探测***将所述校正后的激光信号照射于待测样品，并将所述待测样品反射的激光信号传输至所述光电检测处理***；
所述光电检测处理***根据所述待测样品反射的激光信号得到所述表征待测样品的热物性信息的电信号，并将所述电信号传输至所述计算机。
5.根据权利要求4所述的近场热反射测量装置，其特征在于，所述近场探测***包括：物镜、近场探针和三维工件台，所述待测样品安装于所述三维工件台上；
所述物镜对所述合束后的激光信号进行会聚，并收集所述合束后的激光信号的反射信号，将所述合束后的激光信号的反射信号传输至所述光电检测处理***，所述合束后的激光信号的反射信号为会聚后的激光信号经所述近场探针入射至所述待测样品表面后反射得到。
6.根据权利要求5所述的近场热反射测量装置，其特征在于，所述光电检测处理***包括滤光片、光电倍增管和锁相放大器；
所述滤光片将所述合束后的激光信号的反射信号中的抽运光滤除，并将得到的所述反射信号中的探测光传输至所述光电倍增管；
所述光电倍增管将所述反射信号中的探测光转换为所述电信号，并将所述电信号传输至所述锁相放大器；
所述锁相放大器采集所述电信号中与所述调制后的抽运光同频率的信号分量，并将采集的所述信号分量传输至所述计算机。
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