CN108107008A - 一种时域热反射谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种时域热反射谱测量系统。偏振脉冲激光通过光学隔离系统后，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。本发明的系统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
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。
时域热反射谱测量系统应运而生，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。在传统的泵浦探测系统中，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，使得系统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系统，偏振激光器输出的偏振脉冲激光通过光学隔离系统和第一反射镜后，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，本发明的系统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系统的结构图，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系统的技术思路是：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。光学隔离系统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可以改变输入系统的激光总功率，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系统后由第一反射镜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 (9)
1.一种时域热反射谱测量系统，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系统和第一反射镜(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。
2.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，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系统，其特征在于，所述光学隔离系统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系统，其特征在于，所述长波通滤光片(14)的截止波长为776nm。
5.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，其特征在于，所述短波通滤光片(21)的截止波长为770nm。
6.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，其特征在于，所述带波通滤光片(23)的通过波段为779±2nm。
7.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，其特征在于，所述斩波器(13)的频率为200Hz。
8.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，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。
9.根据权利要求1所述的一种时域热反射谱测量系统，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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