CN102721673B - 多光束阵列光诱导反射率成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光束阵列光诱导反射率成像装置及方法，多光束阵列光诱导反射率成像装置包括泵浦光源、探测光源、衍射分光装置、阵列光调制器、分色镜、光学透镜、偏振分光元件、光学滤光片和光电探测器。本发明通过泵浦光诱导探测光的反射率变化进行反射率成像，且在成像速度上比传统的对样品逐点扫描方法可以有很大提高；同时由于无需进行逐点扫描，具体检测及成像仪器设计可以避免使用移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及多光束阵列光诱导反射率成像领域，具体是一种利用衍射分光装置分光的二维光诱导反射率成像装置及方法。
背景技术
光诱导反射率成像是一种比较灵敏的非接触式光学测量方法。其基本原理是基于材料在光（以下称泵浦光）的作用下会发生反射率变化。这种反射率变化在多数情况下是因为材料吸收泵浦光能量而导致局部温度升高引起的，其物理过程可以用公式简化表达为：
其中，
是材料表面反射率的变化，
是材料反射率温度系数，是材料吸收泵浦光能量而导致的温度变化。由式中可以看出，在泵浦光特性确定的情况下，光诱导反射率的变化决定于被测材料的物理特性，特别是光吸收和热物性。
对半导体材料而言，光诱导反射率的变化更为复杂一些，它是光热信号和光致载流子密度变化结果的叠加，其物理过程可以简化描述如下：
其中，是材料反射率载流子密度系数，
是材料吸收泵浦光能量而导致的载流子密度变化。
实际应用中泵浦光通常是被调制的。泵浦光辐照样品表面而引起温度或载流子密度变化并导致样品反射率发生变化，而反射率的变化通常由另一束较弱的光（探测光）来进行探测。泵浦光和探测光同时聚焦在样品表面上并且重叠在一起。反射率的变化一般比较微弱，需要利用锁相技术来进行检测。而对样品的二维成像则是通过对样品进行逐点扫描来获得。这种二维扫描成像方法可以获得较高的分辨率，在远场测量条件下近似受限于泵浦光/探测光的衍射极限，比较容易达到亚微米量级。
然而这种传统的二维扫描成像方法在实际应用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信号较弱，对每一个样品点都要进行一定时间的锁相积分；另一方面，样品每次移动都需要花费一定的移动和等待时间，后者是为了使整个系统从机械震动到局部温度都能达到新的平衡。这样一般情况下获得一幅5微米横向分辨率的500微米x 500微米的图像需要近一小时的时间。如果样品吸收微弱，则要增加积分时间，成像时间就会更长。这种成像速度很慢的缺点极大地限制了光诱导反射率成像技术的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多光束阵列光诱导反射率成像装置及方法，解决光诱导反射率应用中逐点扫描成像方法耗时过长的问题。
本发明的技术方案为：
多光束阵列光诱导反射率成像装置，包括泵浦光源、探测光源、光电探测器、与泵浦光源和探测光源对应的样品台，从泵浦光源至样品台之间依次设置有泵浦光衍射分光装置、阵列调制器、分色镜和聚焦成像透镜；从探测光源至样品台之间依次设置有探测光衍射分光装置、偏振分光镜、四分之一波片、所述的分色镜和所述的聚焦成像透镜；所述的光电探测器设置于偏振分光镜的后端，从所述的偏振分光镜至光电探测器之间设置有探测光聚焦透镜和探测光滤光装置。
所述的泵浦光源选用激光光源或单色光光源；所述的探测光源选用激光光源或单色光光源。
所述的泵浦光衍射分光装置和探测光衍射分光装置均可选用位相型分光光栅。
多光束阵列光诱导反射率成像方法，包括以下步骤：
（1）、将被测样品至于样品台上；
（2）、泵浦光源发出的泵浦光束，泵浦光束经过泵浦光衍射分光装置后被分为呈阵列分布的光束组，光束组经过阵列光调制器后被调制，并且其中每一束光的调制频率各不相同，调制后的泵浦光束组由分色镜反射、并通过聚焦成像透镜聚焦后照射到放置于样品台上的被测样品的表面；
（3）、探测光源发出的探测光束，经过探测光衍射分光装置后被分为呈阵列分布的探测光束组，探测光束组依次经过偏振分光镜、四分之一波片和分色镜后，由聚焦成像透镜会聚到被测样品表面，并且与聚焦后的泵浦光束组在被测样品表面重合，泵浦光束组在样品表面对应区域激发局部温度变化，从而引起被测样品对探测光束反射率的变化，每一束探测光都对应与泵浦光束组中的一束泵浦光重合；
（4）、由被测样品表面反射的探测光束组再依次经过聚焦成像透镜、分色镜和四分之一波片后，再经偏振分光镜反射后，由探测光聚焦透镜会聚、并经过探测光滤光装置后进入光电探测器；
（5）、光电探测器获得的光诱导反射率信号含有不同调制频率下的光热反射率信号，分别代表来自样品上不同探测光所对应的区域的信号，这些信号通过后续数据处理，得到样品表面的二维光热反射率图像。
所述的光电探测器与多个模拟-数字转换电路或锁相放大器并行测量，可进一步节省测量时间，提高成像速度。
本发明在成像速度上比传统的对样品逐点扫描方法可以有很大提高，且由于无需进行逐点扫描，具体检测及成像仪器设计可以避免使用移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。
附图说明
图1是本发明多光束阵列光诱导反射率成像装置的应用结构示意图。
具体实施方式
见图1，多光束阵列光诱导反射率成像装置，包括泵浦光源1、探测光源2、光电探测器3和样品台4；从泵浦光源1至样品台4之间依次设置有泵浦光衍射分光装置5、阵列调制器6、分色镜7和聚焦成像透镜8，；从探测光源2至样品台4之间依次设置有探测光衍射分光装置9、偏振分光镜10、四分之一波片11、分色镜7和聚焦成像透镜8；光电探测器3设置于偏振分光镜10的后端，，从偏振分光镜10至光电探测器3之间设置有探测光聚焦透镜12和探测光滤光装置13；泵浦光源1和探测光源2均可选用激光光源或单色光光源；泵浦光衍射分光装置5和探测光衍射分光装置9均可选用位相型分光光栅。
多光束阵列光诱导反射率成像方法，包括以下步骤：
（1）、将被测样品14至于样品台4上；
（2）、泵浦光源1发出的泵浦光束，泵浦光束经过泵浦光衍射分光装置5后被分为呈阵列分布的光束组，光束组经过阵列光调制器6后被调制，并且其中每一束光的调制频率各不相同，调制后的泵浦光束组由分色镜7反射、并通过聚焦成像透镜8聚焦后照射到放置于样品台4上的被测样品14的表面；
（3）、探测光源2发出的探测光束，经过探测光衍射分光装置9后被分为呈阵列分布的探测光束组，探测光束组依次经过偏振分光镜10形成线偏振光束、四分之一波片11将线偏振光束转化成圆偏振光束并透过分色镜7后，由聚焦成像透镜8会聚到被测样品14表面，并且与聚焦后的泵浦光束组在被测样品表面重合，泵浦光束组在样品表面对应区域激发局部温度变化，从而引起被测样品对探测光束反射率的变化，探测光束组中每一束探测光都对应与泵浦光束组中的一束泵浦光重合；
（4）、由被测样品14表面反射的探测光束组再依次经过聚焦成像透镜8、分色镜7和四分之一波片11后，由圆偏振光束转化成线偏振光束，且偏振方向与探测光源2发出的探测光束线偏振方向成90度，此线偏振光束经过偏振分光镜10反射，再经由探测光聚焦透镜12会聚、探测光滤光装置13后进入光电探测器3。光电探测器3的输出信号利用锁相检测技术探测，此时，以与某一被调制的泵浦光束的调制频率相同的交流信号作为锁相检测的参考信号，这样只有该泵浦光束诱导产生的反射率变化信号能够被锁相放大器测出，其它泵浦光束诱导产生的信号都被滤掉，再依次改变参考信号的频率，就可以获得对应的泵浦光束诱导产生的信号，最后根据泵浦光束的编号以及对应测得的信号，获得空间分辨的二维图像。光电探测器3可与多个模拟-数字转换电路或锁相放大器并行测量，进一步节省测量时间，提高成像速度。
Claims (4)
1.多光束阵列光诱导反射率成像装置，包括泵浦光源、探测光源、光电探测器、与泵浦光源和探测光源对应的样品台，其特征在于：从泵浦光源至样品台之间依次设置有泵浦光衍射分光装置、阵列调制器、分色镜和聚焦成像透镜；从探测光源至样品台之间依次设置有探测光衍射分光装置、偏振分光镜、四分之一波片、所述的分色镜和所述的聚焦成像透镜；所述的光电探测器设置于偏振分光镜的后端，从所述的偏振分光镜至光电探测器之间设置有探测光聚焦透镜和探测光滤光装置。
2.根据权利要求1所述的多光束阵列光诱导反射率成像装置，其特征在于：所述的泵浦光源选用激光光源或单色光光源；所述的探测光源选用激光光源或单色光光源。
3.根据权利要求1所述的多光束阵列光诱导反射率成像装置，其特征在于：所述的泵浦光衍射分光装置和探测光衍射分光装置均可选用位相型分光光栅。
4.多光束阵列光诱导反射率成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将被测样品至于样品台上；
（2）、泵浦光源发出的泵浦光束，泵浦光束经过泵浦光衍射分光装置后被分为呈阵列分布的光束组，光束组经过阵列光调制器后被调制，并且其中每一束光的调制频率各不相同，调制后的泵浦光束组由分色镜反射、并通过聚焦成像透镜聚焦后照射到放置于样品台上的被测样品的表面；
（3）、探测光源发出的探测光束，经过探测光衍射分光装置后被分为呈阵列分布的探测光束组，探测光束组依次经过偏振分光镜、四分之一波片和分色镜后，由聚焦成像透镜会聚到被测样品表面，并且与聚焦后的泵浦光束组在被测样品表面重合，泵浦光束组在样品表面对应区域激发局部温度变化，从而引起被测样品对探测光束反射率的变化，每一束探测光都对应与泵浦光束组中的一束泵浦光重合；
（4）、由被测样品表面反射的探测光束组再依次经过聚焦成像透镜、分色镜和四分之一波片后，再经偏振分光镜反射后，由探测光聚焦透镜会聚、并经过探测光滤光装置后进入光电探测器；
（5）、光电探测器获得的光诱导反射率信号含有不同调制频率下的光热反射率信号，分别代表来自样品上不同探测光所对应的区域的信号，这些信号通过后续数据处理，得到样品表面的二维光热反射率图像。
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