CN106442335B - 一种显微可视化抽运探测热反射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种显微可视化抽运探测热反射系统，脉冲激光器发出的线偏振激光分别经第一光路和第二光路到达电控冷光镜，激光束一与激光束二汇合后由样品反射，激光束二经第三光路后由分束镜分为激光束三和激光束四，激光束三到达光电探测器与锁相放大器，激光束四到达数字摄像机。本发明通过计算机识别出数字摄像机拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制电控冷光镜发生角度偏转，改变抽运光斑的位置，使抽运与探测光斑精确重合，可以消除由于环境温度变化，光学元件应力以振动引起的光斑重合度降低问题，自动化程度高，控制精度大为提高，通过该系统可以实时观察样品表面的微观结构，实现测量位置的精密控制和微观结构热导率的精密测量。
Description
技术领域
本发明属于热导率测试技术，涉及超短激光脉冲抽运探测技术，尤其涉及一种显微可视化抽运探测热反射系统。
背景技术
微纳结构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微纳结构材料的热输运性质进行准确表征，以便揭示其热输运机理。在研究超快热输运过程，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，样品的测量位置只能粗略的估计，这导致传统的测量系统只能对结构简单、表面性质均一的样品进行热导率表征，而对于微电子、光电子等领域大量具有微观结构样品不同区域或结构的热导率精密表征存在极大的困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种显微可视化抽运探测热反射系统，以解决现有技术中存在的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种显微可视化抽运探测热反射系统，脉冲激光器发出的线偏振激光经过第一1/2波片后由第一偏振分光棱镜分为两束，分别为激光束一和激光束二；激光束一通过第一偏振分光棱镜沿原线偏振激光传输方向继续传输，依次经过激光倍频模块、短波通滤光片、激光调制器、短波反射镜后到达电控冷光镜；激光束二依次经过长波反射镜、直角反射镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、1/4波片后到达电控冷光镜；激光束一与激光束二汇合后经过物镜到达样品固定架，激光束二经过样品固定架上的样品反射后依次通过物镜、电控冷光镜、1/4波片、第二偏振分光棱镜、凸透镜后由分束镜分为两束，分别为激光束三和激光束四；激光束三到达光电探测器，光电探测器与锁相放大器连接；激光束四到达数字摄像机，数字摄像机与计算机连接。
优选地，所述电控冷光镜，用于反射激光束一，透射激光束二，使激光束一与激光束二混合并调节混合光束通过物镜后聚焦光斑的相对位置。
优选地，信号发生器连接激光调制器，激光调制器将信号发生器的输出信号加载至激光束一。
优选地，所述计算机通过计算机视觉算法识别出数字摄像机拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制电控冷光镜发生角度偏转，改变抽运光斑的位置，使抽运与探测光斑精确重合。
优选地，所述激光调制器为电光调制器、声光调制器或斩波器光强调制设备。
优选地，所述直角反射镜的反射平行度优于5arc sec。
优选地，所述电控冷光镜的角度调节精度优于1微弧度。
优选地，所述分束镜的分光比例为50∶50。
优选地，数字摄像机的感光元件位于凸透镜的焦平面位置，物镜与凸透镜构成光学共轭关系，物镜、凸透镜、数字摄像机及计算机共同构成显微可视化子系统。
优选地，通过锁相放大器采集的数据计算样品热导率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的显微可视化抽运探测热反射系统具有以下有益效果：
本发明在光电探测器前加入分束镜，将样品表面反射的光线反射至数字摄像机，凸透镜与物镜为光学共轭关系，样品表面可在数字摄像机感光元件上成实像从而被拍摄，数字摄像机拍摄的图像通过计算机实时显示，物镜、凸透镜、数字摄像机及计算机共同构成显微可视化子系统；计算机识别出数字摄像机拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制电控冷光镜发生角度偏转，改变抽运光斑的位置，使抽运与探测光斑精确重合，可以消除由于环境温度变化，光学元件应力以振动引起的光斑重合度降低问题，现有技术中该过程通常由人工完成，效率和精确度低，而本发明通过计算机控制实现实时光斑重合度控制，自动化程度高，控制精度大为提高，通过该系统可以实时观察样品表面的微观结构，实现测量位置的精密控制和微观结构热导率的精密测量。
附图说明
图1为本发明实施例的显微可视化抽运探测热反射系统结构示意图。
符号说明
1-脉冲激光器；2-第一1/2波片；3-第一偏振分光棱镜；4-激光倍频模块；5-短波通滤光片；6-激光调制器；7-信号发生器；8-短波反射镜；9-线性移动台；10-直角反射镜；11-计算机；12-长波反射镜；13-数字摄像机；14-光电探测器；15-分束镜；16-凸透镜；17-锁相放大器；18-电控冷光镜；19-第二1/2波片；20-第二偏振分光棱镜；21-1/4波片；22-三维移动台；23-样品固定架；24-物镜。
具体实施方式
本发明提供的显微可视化抽运探测热反射系统，在光电探测器前加入分束镜，凸透镜与物镜为光学共轭关系，样品表面可在数字摄像机感光元件上成实像从而被拍摄，数字摄像机拍摄的图像通过计算机实时显示，物镜、凸透镜、数字摄像机及计算机共同构成显微可视化子系统；计算机通过计算机视觉算法识别出数字摄像机拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制电控冷光镜发生角度偏转，改变抽运与探测光斑的位置，使抽运与探测光斑实时精确重合。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照图1，对本发明进一步详细说明。
本发明的显微可视化抽运探测热反射系统包括以下部件，各部件的具体型号仅是进行示例性说明，并不以此为限。
脉冲激光器，采用Mai Tai BB钛蓝宝石飞秒振荡激光器，脉冲宽度小于1ps，优选小于80fs，波长范围710-990nm，平均功率大于1.5W；
第一1/2波片，采用Thorlabs WPH05M-808零级1/2波片；
第一偏振分光棱镜，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方体；
激光倍频模块，采用BIBO倍频晶体，激光倍频模块中最佳输入波长应与脉冲激光器的输出波长一致；
短波通滤光片，采用Thorlabs FESH0500硬质涂层短波通滤光片；
激光调制器，可为电光调制器、声光调制器或采用斩波器光强调制设备，优选采用电光调制器，并具体为Conoptics M350-160电光调制器；
信号发生器，采用Keysight 33509B波形发生器；
短波反射镜，采用Thorlabs BB05-E02平面反射镜；
长波反射镜，采用Thorlabs BB05-E03平面反射镜；
直角反射镜，反射平行度应优于5arc sec，优选采用Newport UBBR2.5-5S直角反射镜；
线性移动台，采用Newport M-IMS600PP线性移动台；
第二1/2波片，采用Thorlabs WPH05M-808零级1/2波片；
电控冷光镜，采用Thorlabs FM04冷光镜安装在Thorlabs KC1-PZ/M压电调节光学调整架，角度调节精度优于1微弧度；
物镜，采用Edmund 10X EO M Plan Apo物镜；
三维移动台，采用Thorlabs PT3/M XYZ位移台；
1/4波片，采用Thorlabs WPQ05M-808零级1/4波片；
第二偏振分光棱镜，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方体；
凸透镜，采用Thorlabs LA1461平凸透镜；
分束镜，采用Thorlabs EBS1 50∶50分束器；
光电探测器，其输入的波长应根据脉冲激光器的输出波长选择以保证最大输出信号，优选采用Thorlabs PDA36A硅基跨阻放大光电探测器；
锁相放大器，其输入频率范围覆盖激光调制器的信号范围，优选采用StanfordResearch SR844锁相放大器；
数字摄像机，其不含镜头且感光元件分辨率不低于1280x1024采用ThorlabsDCC1545M CMOS相机；
本发明的显微可视化抽运探测热反射系统包括：脉冲激光器1；第一1/2波片2；第一偏振分光棱镜3；激光倍频模块4；短波通滤光片5；激光调制器6；信号发生器7；短波反射镜8；线性移动台9；直角反射镜10；计算机11；长波反射镜12；数字摄像机13；光电探测器14；分束镜15；凸透镜16；锁相放大器17；电控冷光镜18；第二1/2波片19；第二偏振分光棱镜20；1/4波片21；三维移动台22；样品固定架23；物镜24。
沿脉冲激光器1光轴方向依次设置第一1/2波片2、第一偏振分光棱镜3、激光倍频模块4、短波通滤光片5、激光调制器6和短波反射镜8；脉冲激光器1输出的800nm线偏振激光经过第一1/2波片2后偏振方向发生偏转，然后由第一偏振分光棱镜3分为两束，分别为激光束一和激光束二，偏振方向分别为水平和竖直，调节第一1/2波片2使激光束一和激光束二的功率之比约为50∶1，激光束一通过第一偏振分光棱镜3沿原线偏振激光的传播方向继续传输，经过激光倍频模块4后部分激光被倍频至400nm波长，然后经过短波通滤光片5将未倍频的800nm波长激光滤除，在激光调制器6中，400nm波长激光的功率强度被加载信号发生器7的频率为MHz级别的输出信号，然后被短波反射镜8反射后到达电控冷光镜18。
激光束二被第一偏振分光棱镜3偏转，并依次被长波反射镜12以及直角反射镜10反射，其中直角反射镜10固定于线性移动台9上，线性移动台9由计算机控制，然后激光束二经过第二1/2波片19，调整第二1/2波片19使激光束二的偏振方向由竖直变为水平，然后激光束二依次经过第二偏振分光棱镜20、1/4波片21后到达电控冷光镜18，电控冷光镜18使激光束一与激光束二混合共线传播形成共线光束，共线光束经过物镜24到达样品固定架23，其中样品固定架23固定于三维移动台22上，调整样品固定架23使样品位于物镜24的焦平面位置，激光束一经过样品反射后原路返回，激光束二经过样品反射后依次通过物镜24、电控冷光镜18和1/4波片21后到达第二偏振分光棱镜20，激光束二第二次通过1/4波片21后偏振方向由水平变为竖直并被第二偏振分光棱镜20反射，然后依次通过凸透镜16和分束镜15，分束镜15将激光束二分为两束，分别为激光束三和激光束四，激光束三到达光电探测器14，其功率强度被转换为电压信号，锁相放大器17分离电压信号中与信号发生器7输出信号同频率的信号分量并采集数据，激光束四到达数字摄像机13，数字摄像机13拍摄的图像通过计算机11实时显示，计算机11通过计算机视觉算法识别出数字摄像机13拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制电控冷光镜18发生角度偏转，改变抽运光斑的位置，使抽运与探测光斑精确重合，通过锁相放大器17采集的数据计算得出样品热导率。
样品位于物镜24的焦平面位置，数字摄像机13的感光元件位于凸透镜16的焦平面位置，物镜24与凸透镜16构成光学共轭关系，物镜、凸透镜、数字摄像机及计算机共同构成显微可视化子系统。
显微可视化子系统的放大倍数为凸透镜16焦距与物镜24焦距的比值，对于所选原件该显微可视化子系统的放大倍数为12.5倍。
显微可视化子系统的分辨率为数字摄像机13感光元件的点距与放大倍数的比值，对于所选原件该显微可视化子系统的分辨率约为0.4微米。
热导率数据通过对锁相放大器17采集的数据计算得出。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的显微可视化抽运探测热反射系统有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，
脉冲激光器发出的线偏振激光经过第一1/2波片后由第一偏振分光棱镜分为两束，分别为激光束一和激光束二；
激光束一通过第一偏振分光棱镜沿原线偏振激光传输方向继续传输，依次经过激光倍频模块、短波通滤光片、激光调制器、短波反射镜后到达电控冷光镜；
激光束二依次经过长波反射镜、直角反射镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、1/4波片后到达电控冷光镜；
激光束一与激光束二汇合后经过物镜到达样品固定架，激光束二经过样品固定架上的样品反射后依次通过物镜、电控冷光镜、1/4波片、第二偏振分光棱镜、凸透镜后由分束镜分为两束，分别为激光束三和激光束四；
激光束三到达光电探测器，光电探测器与锁相放大器连接；激光束四到达数字摄像机，数字摄像机与计算机连接，所述数字摄像机拍摄的图像通过所述计算机实时显示，所述计算机通过计算机视觉算法识别出数字摄像机拍摄图像中的抽运与探测光斑，控制所述电控冷光镜发生角度偏转，改变抽运光斑的位置，使抽运与探测光斑精确重合；
其中，所述激光调制器连接信号发生器，所述光电探测器将激光束三的功率强度转换为电压信号，所述锁相放大器分离所述电压信号中与所述信号发生器输出信号同频率的信号分量并采集数据。
2.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述电控冷光镜，用于反射激光束一，透射激光束二，使激光束一与激光束二混合并调节混合光束通过物镜后聚焦光斑的相对位置。
3.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述激光调制器将信号发生器的输出信号加载至激光束一。
4.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述激光调制器为电光调制器、声光调制器或斩波器光强调制设备。
5.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述直角反射镜的反射平行度优于5 arc sec。
6.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述电控冷光镜的角度调节精度优于1微弧度。
7.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，所述分束镜的分光比例为50:50。
8.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，数字摄像机的感光元件位于凸透镜的焦平面位置，物镜与凸透镜构成光学共轭关系，物镜、凸透镜、数字摄像机及计算机共同构成显微可视化子系统。
9.根据权利要求1所述的显微可视化抽运探测热反射系统，其特征在于，通过锁相放大器采集的数据计算样品热导率。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106442335A (zh) | 2017-02-22 |
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