CN102661917A - 一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统 - Google Patents

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Abstract

一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，包括：偏振输出脉冲激光器输出脉冲激光；波片使激光偏振方向旋转；分光器件将激光束分成偏振方向互相垂直的两束；反射镜接收并反射激光束；电光调制器对激光束调制；倍频晶体使激光产生二次谐波；滤光片滤除指定波长区间内激光；扩束器将激光束直径扩大；电控位移平台前后移动；冷光镜将不同波长的激光束合束；固定调整架固定样品；聚焦透镜将激光辐照在样品表面；光电探测器接受滤光片透过的激光产生电信号；光电探测器的信号被滤波放大器放大。本发明将抽运光和探测光使用不同波长的飞秒脉冲激光，使用具有高选择透过性的滤光片滤除倍频后的抽运光，避免抽运光对探测信号的干扰，实现准确高效的测量。

Description

一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统
技术领域
本发明属于固体热导率测试技术，涉及超短激光脉冲抽运探测技术，尤其涉及一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统。
背景技术
薄膜材料已广泛地运用于微电子、光电子等领域，而这些微器件在工作时将产生极高的热流密度，热堆积将直接影响到此类器件的工作效率以及可靠性。解决上述微器件散热问题极为迫切，这需要对组成上述微器件的薄膜材料热输运性质进行准确表征，以便揭示其热输运机理。在研究超快热力学过程，常常需要借助超短脉冲激光抽运-探测技术。在传统的超短激光脉冲抽运探测系统中，一般用一束水平(或垂直)的激光抽运，用另外一束偏振方向恰好相反的光束探测，两束光以一定夹角入射，或者两束光共线入射，因此需要加入非线性晶体实现抽运光与探测光的分离；用光电探测器接收探测光，将信号传输给锁相放大器。然而，现有的非线性晶体的光消除效率仅为10-3至10-4，信噪比极低。现有技术中由于单波长抽运探测系统的低信噪比，则对抽运光与探测光的光路系统要求极高，使得系统结构复杂和操作不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，包括：
偏振输出脉冲激光器，用于输出偏振的脉冲激光；
第一波片，用于接收偏振输出脉冲激光器输出的脉冲激光，并将该脉冲激光的偏振方向旋转；
第一分光器件，用于将偏振方向旋转的脉冲激光分成偏振方向互相垂直的两激光束，该两束激光分别为水平方向偏振的抽运激光束和垂直方向偏振的探测激光束；
电光调制器，接收并调制透射的水平方向偏振的激光束，并输出调制激光束；
第一反射镜，接收并反射电光调制器透射的调制激光束，调节第一反射镜的方向，将电光调制器透射的调制激光束偏转；
第一聚焦透镜，接收并聚焦第一反射镜反射的激光束；
倍频晶体，将第一聚焦透镜聚焦的激光束生成二次谐波激光束；
第二聚焦透镜，接受并聚焦倍频晶体投射的二次谐波激光束；
第一滤光片，将第二聚焦透镜透射的二次谐波激光束中未倍频的激光滤除，形成抽运光束；
扩束器，用于实现探测光束直径的扩大；
第二反射镜，接受并反射被扩束的探测激光束，调节第二反射镜的方向，将被扩束的探测激光束偏转；
平行光反射镜，接受第二反射镜入射的探测激光束，并反射与入射的探测激光束平行的探测光束；
电控位移平台，由外部计算机控制沿着箭头方向移动，而且移动方向与从第二反射镜入射到平行光反射镜的激光方向平行；
第二波片，接收平行光反射镜反射的激光束，用于使水平偏振的激光束的偏振方向发生旋转，调节探测光束的功率；
第二分光器件，接收偏振方向发生旋转的水平偏振的激光束，用于输出偏振方向水平的激光束；
冷光镜，用于倍频的抽运光束与非倍频的探测光束耦合为一束激光；
物镜，用于聚焦抽运光束与探测光束；
固定调整架，用于物镜聚焦的光束垂直入射到固定调整架上的待测量样品表面；
第三聚焦透镜，接收并聚焦第二分光器件的垂直偏振的探测光束；
第二滤光片，用于滤除第三聚焦透镜透射的倍频的抽运光束；
光电探测器，用于接收第二滤光片透射的探测光束；
滤波放大器，与外部计算机连接，读取从滤波放大器输出的信号；用于滤除光电探测器输出信号的高频奇次谐波；
第三波片，用于探测光束两次通过第三波片时，偏振方向改变90度。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，偏振输出脉冲激光器是波长为790nm到910nm的飞秒光纤激光器，重复频率80MHz，功率1.85W，脉冲宽度100fs。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，第一波片和第二波片均采用二分之一波片；第三波片采用四分之一波片。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，在45度角入射冷光镜情况下，倍频激光束全部反射，非倍频激光束全部透射。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，电光调制器的调制频率800Hz到30MHz可调节，频率由外部计算机控制，或用数据信号发生器输出的信号外触发工作。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，电控位移平台的精度100nm，扫描范围60cm，对应的光学延迟范围4ns。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，光电探测器是高速PIN二极管、雪崩二极管、光电倍增管或电荷耦合器件，响应时间小于10ns。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，倍频晶体是BBO晶体或BIBO晶体，厚度为0.5至1mm，边长5至10mm的正方形，或者直径为5到10mm的圆形。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，滤波放大器是由电感、BNC接头及绝缘盒构成。
所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，第一滤光片对未倍频激光束的透过率为10-7到10-9，第二滤光片对倍频激光束的透过率为10-7到10-9。
本发明的技术效果和优点是：
本发明将抽运光和探测光使用不同波长的飞秒脉冲激光，通过冷光镜合为一束共线光，在两束激光到达探测器之前使用具有高选择透过性的滤光片滤除抽运光，避免抽运光对信号的干扰，可实现准确高效的测量；使得操作更加简单；利用滤波放大器有效滤除高频谐波的影响，有效提高信号的准确度。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
附图中主要部件说明：
1偏振输出脉冲激光器；2第一波片；3第一分光器件；4电光调制器；5电光调制器驱动器；6第一反射镜；7第一聚焦透镜；8倍频晶体；9第二聚焦透镜；10第一滤光片；11扩束器；12第二反射镜；13平行光反射镜；14电控位移平台；15第二波片；16第二分光器件；17第三波片；18冷光镜；19物镜；20固定调整架；21第三聚焦透镜；22第二滤光片；23光电探测器；24滤波放大器。
具体实施方式
本发明提供的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统的技术方案是：通过倍频模块，将抽运光倍频，再通过冷光镜与未倍频的探测光耦和的方式合并为一束光。
下面结合图1对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，偏振输出脉冲激光器1是波长790nm～910nm的飞秒光纤激光器，重复频率80MHz，脉冲宽度100fs，波长800nm时平均功率为1W～1.85W。
第一波片2和第二波片15均采用二分之一波片；
第三波片17采用四分之一波片；
第一分光器件3和第二分光器件16均采用偏振分光器件；
第一反射镜6和第二反射镜12均采用45度激光反射镜；
冷光镜对于800nm波长的激光束为垂直透射；对于400nm波长的激光束为45度全反射。
第一滤光片10与第二滤光片22的透光率为10-7至10-9。
电光调制器4的调制频率800Hz到30MHz可调节，频率由电光调制器驱动器5控制；
电光调制器驱动器5由外部计算机控制，也可以用其它数据信号发生器输出的信号外触发工作；
倍频晶体8，采用规格为5mm×5mm×0.5mm的非线性光学晶体(BIBO晶体)，与第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜9构成倍频模块；
第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜9的焦距均为30mm；
扩束器11，由不同焦距的凹透镜及凸透镜组成；
电控位移平台14最高精度每步100nm，扫描范围60cm，对应的光学延迟范为4ns；
物镜19采用消色差，放大倍数10倍，焦距为20mm；
光电探测器23可以是雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件CCD，响应时间小于10ns。
第三聚焦透镜21，根据要求的不同可以选择焦距为10mm到300mm；
滤波放大器24，根据要求的不同可以选择不同大小的电感及BNC接头以及绝缘盒组成。
本发明的主要结构与原理如下描述：
本发明的主要结构由偏振输出脉冲激光器1、光延迟线、第一波片2、电光调制器4、第一聚焦透镜7、倍频晶体8、第二聚焦透镜9、扩束器11、冷光镜18、第一滤光片10、第二滤光片22、第一偏振分光器件3、第二偏振分光器件16、光电探测器23及高频滤波器24组成。偏振输出脉冲激光器1输出的脉冲激光如果是线偏振的，通过第一波片2后偏振方向发生旋转，再通过第一分光器件3后，将脉冲激光分为偏振方向互相垂直的两束光；通过手动或电控的办法旋转第一波片2，能够连续改变两束光的强度比。垂直于水平面偏振的激光被第一分光器件3反射后入射到扩束器11上，偏振方向不会发生变化，再入射到平行光反射镜13上，由于入射是垂直偏振的，平行光反射镜13反射的光平行于入射的激光束，且反射的激光束为垂直于水平面偏振的激光。平行光反射镜13反射的激光通过旋转第二波片15与第二分光器件16后，将脉冲激光分为偏振方向互相垂直的两束光；通过手动或电控的办法旋转第一波片2，能够连续改变两束光的强度比，使得水平偏振的激光通过第三波片17后，垂直入射冷光镜18与物镜19辐照在样品固定调整架20上的样品表面。其中，平行光反射镜13固定在电控位移平台14上，电控位移平台14由外部计算机控制，能够沿着箭头方向移动；而且移动方向与入射激光方向垂直，从第二反射镜12到平行光反射镜13的光束，与平行光反射镜13反射到第二波片15的光束平行，确保电控位移平台14前后移动时入射到样品上的光斑位置不会发生变化。电光调制器4接收并调制透过第一分光器件3的偏振方向水平激光束，用于输出透射的调制激光束。由外部计算机输出TTL信号给电光调制驱动器5来调制透过电光调制器4的激光束。电光调制器4输出的激光束入射到第一反射镜6，调节第一反射镜6的光束方向，入射至第一聚焦透镜7。第一聚焦透镜7接受并聚焦第一反射镜6的激光束至倍频晶体8。激光束经倍频晶体8后生成二次谐波，被第二聚焦透镜9接受并聚焦。第一滤光片10滤除倍频激光束中未倍频的激光，通过冷光镜18后45度全反射至物镜19，并被物镜19聚焦到样品表面。通过调节第二分光器件16与冷光镜18(冷光镜18的作用是将两束波长不同的激光束合并为一束激光，实现共线抽运探测)，使得抽运光束与探测光束重合，共线后的光束垂直入射到固定调整架20上的样品表面。通过第二滤光片22后，只有未被调制的探测光的光束可通过，再入射到光电探测器23上。
第一反射镜6反射的激光束经倍频晶体8后，激光束被倍频为二次谐波。
第一偏振分光器件3反射的激光束通过扩束器11，激光束直径被放大。
光延迟线由电控位移平台14和平行光反射镜13组成，延迟范围由电控位移平台14的移动范围确定，实例中延迟范围为0到4ns。
偏振方向为水平的激光束通过第二分光器16与第三波片17垂直入射固定调整架20上的样品表面后，由样品表面反射，再原路返回通过第三波片17，激光束的偏振方向变为垂直偏振，通过第二分光器16将激光反射至第三聚焦透镜21。
电光调制器4与电控位移平台14及光电探测器23同步运行，电光调制器4输出一串脉冲激光，电控位移平台14移动一次，光电探测器23接受激光。光电探测器23的输出的光电信号通过高频滤波器24后，由外部数据处理系统从高频滤波器24读取一个信号。最终得到不同延迟时间的散射、或反射强度，反推出材料的热学特性。
以上所述，仅为本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露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其特征在于，包括：
偏振输出脉冲激光器，用于输出偏振的脉冲激光；
第一波片，用于接收偏振输出脉冲激光器输出的脉冲激光，并将该脉冲激光的偏振方向旋转；
第一分光器件，用于将偏振方向旋转的脉冲激光分成偏振方向互相垂直的两激光束，该两束激光分别为水平方向偏振的抽运激光束和垂直方向偏振的探测激光束；
电光调制器，接收并调制透射的水平方向偏振的激光束，并输出调制激光束；
第一反射镜，接收并反射电光调制器透射的调制激光束，调节第一反射镜的方向，将电光调制器透射的调制激光束偏转；
第一聚焦透镜，接收并聚焦第一反射镜反射的激光束；
倍频晶体，将第一聚焦透镜聚焦的激光束生成二次谐波激光束；
第二聚焦透镜，接受并聚焦倍频晶体投射的二次谐波激光束；
第一滤光片，将第二聚焦透镜透射的二次谐波激光束中未倍频的激光滤除，形成抽运光束；
扩束器，用于实现探测光束直径的扩大；
第二反射镜，接受并反射被扩束的探测激光束，调节第二反射镜的方向，将被扩束的探测激光束偏转；
平行光反射镜，接受第二反射镜入射的探测激光束，并反射与入射的探测激光束平行的探测光束；
电控位移平台，由外部计算机控制沿着箭头方向移动，而且移动方向与从第二反射镜入射到平行光反射镜的激光束方向平行；
第二波片，接收平行光反射镜反射的激光束，用于使水平偏振的激光束的偏振方向发生旋转，调节探测光束的功率；
第二分光器件，接收偏振方向发生旋转的水平偏振的激光束，用于输出偏振方向水平的激光束；
冷光镜，用于倍频的抽运光束与非倍频的探测光束耦合为一束激光；
物镜，用于聚焦抽运光束与探测光束；
固定调整架，用于物镜聚焦的光束垂直入射到固定调整架上的待测量样品表面；
第三聚焦透镜，接收并聚焦第二分光器件的垂直偏振的探测光束；
第二滤光片，用于滤除第三聚焦透镜透射的倍频的抽运光束；
光电探测器，用于接收第二滤光片透射的探测光束；
滤波放大器，与外部计算机连接，读取从滤波放大器输出的信号；用于滤除光电探测器输出信号的高频奇次谐波；
第三波片，用于探测光束两次通过第三波片时，偏振方向改变90度。
2.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，偏振输出脉冲激光器是波长为790nm到910nm的飞秒光纤激光器，重复频率80MHz，功率1.85W，脉冲宽度100fs。
3.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，第一波片和第二波片均采用二分之一波片；第三波片采用四分之一波片。
4.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，在45度角入射冷光镜情况下，倍频激光束全部反射，非倍频激光束全部透射。
5.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，电光调制器的调制频率800Hz到30MHz可调节，频率由外部计算机控制，或用数据信号发生器输出的信号外触发工作。
6.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，电控位移平台的精度100nm，扫描范围60cm，对应的光学延迟范围4ns。
7.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，光电探测器是高速PIN二极管、雪崩二极管、光电倍增管或电荷耦合器件，响应时间小于10ns。
8.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，倍频晶体是BBO晶体或BIBO晶体，厚度为0.5至1mm，边长5至10mm的正方形，或者直径为5到10mm的圆形。
9.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，滤波放大器是由电感、BNC接头及绝缘盒构成。
10.根据权利要求1所述的双色飞秒激光共线抽运探测热反射系统，其中，第一滤光片对未倍频激光束的透过率为10-7到10-9，第二滤光片对倍频激光束的透过率为10-7到10-9。
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