CN109085197A - 热反射测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热反射测量系统，通过光路调整测量装置产生的第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，通过近场探测装置可以突破远场衍射极限，大大提高分辨率，由于分辨率会受近场探测装置与待测样品之间的距离影响，因此，采用距离控制装置检测并调整所述近场探测装置与所述待测样品的之间距离可以较好的保证近场探测装置进行近场探测。因此，第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，并通过距离控制装置控制近场探测装置与待测样品之间的距离，可以较大幅度的提高热反射测量的空间分辨率。

Description

热反射测量系统

技术领域

本发明涉及热导率测量技术领域，具体涉及到一种热反射测量系统。

背景技术

微电子/光电子等器件/系统工作时产生极高的热流密度，热堆积将直接影响到此类器件的效率和可靠性。另外，在超高速/高频运行过程中产生的过热点也会导致器件的损坏。随着集成度的提高和运行速度的增加，这些问题日益突出。热电转换装置在许多领域有着重要的应用，比如高精度仪器的正常工作需要即时的冷却保证核心部件的正常工作；温差发电需要尽量高的转换效率。热电转换材料的效率主要取决于电子和声子的输运性质：一方面需要提高电导率和塞贝克系数，另一方面却要降低热导率。然而由于电子同时作为电和热的载流子，使得提高电导率和降低热导率本身具有一定的矛盾性。目前热电材料的研究中都普遍采用维持电导率和塞贝克系数，增加声子散射以降低热导率的方法。热整流效应是指同样一块材料或界面当对其所加载的热流方向不同时，其热阻也会相应不同。宏观尺度材料的热整流效应虽早已被提出，但由于这种整流效应非常弱而未被重视。近几年来，随着对微纳尺度下热传输的非傅里叶效应逐渐认识，具有纳米尺度结构材料及特殊界面上的强热整流效应被越来越多的发现或预言。

微纳尺度薄膜和结构的热导测量是解决上述问题的关键。国际上越来越多的研究组应用热反射法对纳米薄膜的热物参数进行测量。Virginia大学的Pamela一些现有技术中利用热反射技术研究了固体、液体和薄膜等材料的热导和热容，Virginie Moreau用该技术研究二维光子晶体动态温度特性。但是，常规单波长系统具有信噪比过低的难题，为此，另一些现有技术中分别将各自的飞秒激光系统改造为双波长的设计方案。其主要思想是对抽运光(加热被测样品)和探测光(探测加热后的样品的热物性)使用不同波长的飞秒脉冲激光，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加热激光。由于该种滤光片的滤除效率(透过率)可以达到10^-7至10^-9，大大优于应用偏振方法的10^-3至10^-4，大幅(3个数量级)提高测量信号的信噪比，从而极大提高测量精度。这种方法还可以用于微米空间结构材料的热物性分布扫描，例如，基于瞬态热反射技术(TDTR)的系统，具体的实现方式可以为脉冲激光器和后续光路提供两束脉冲激光，一路为加热样品的抽运光，一路用作传感热物性的探测光，经光路系统和计算机控制，两束光作用于样品同一区域。为了获得高时间分辨率的动态测量，由计算机控制安装有平行光反射镜的电控位移平台作高精度运动，通过调整抽运光和探测光的光程差来实现。反射的两束激光通过滤波片滤除抽运激光束，即加热激光束，通过光电转换器得到热物参数。然而，发明人发现该方法的激光的聚焦光斑只能在微米量级，空间分辨率较低，对更为重要的纳米材料横向和三维纳米结构热物性参数和热输运特性的测量具有很大的局限性。

发明内容

本发明主要的目的在于减小纳米材料横向和三维纳米结构的热物参数和热输运特性测量的局限性。

为此，本发明提供了一种热反射测量系统，包括：脉冲激光发生器，用于提供脉冲激光；光路调整测量装置，接收脉冲激光，用于将脉冲激光分为用于探测待测样品的第一激光束和用于加热待测样品200的第二激光束，并对第一激光束和第二激光束进行调整，以使第一激光束和第二激光束间隔预设时长达到待测样品的同一区域，对当前区域的热物性进行测量；近场探测装置，设置在光路调整装置的输出光路上，用于将第一激光束和第二激光束传递至待测样品；距离控制装置，用于检测并调整近场探测装置与待测样品的之间距离。

可选地，近场探测装置包括：近场探针，具有用于第一激光束和第二激光束通过的光阑孔。

可选地，光阑孔的孔径为100纳米-1000纳米。

可选地，光阑孔的孔径为100纳米-250纳米。

可选地，近场探针由硅制成。

可选地，近场探测装置与待测样品的之间距离小于20纳米。

可选地，距离控制装置包括：距离检测组件，用于发射距离检测信号至近场探测装置，并接受近场探测装置反射的距离检测信号；位置调整组件，与近场探测装置连接，用于根据反馈信号调整近场探测装置与待测样品之间的距离。

可选地，距离检测信号包括：距离检测激光，距离检测组件包括：半导体激光器，用于发射预设波长的距离检测激光；光路调整器，用于调整距离检测激光的方向，距离检测激光照射在近场探测装置；四象限光电探测器，接收近场探测装置反射的距离检测激光，并将转换反射的距离检测激光为电信号。

可选地，位置调整组件包括：第一三维工作台和/或第二三维工作台；第一三维工作台用于承载探测装置；第二三维工作台用于承载待测样品200。

可选地，热反射测量系统还包括：物镜，设置在第一激光束、第二激光束和距离检测激光的光路上，用于对第一激光束、第二激光和距离检测激光进行聚焦。

可选地，近场检测装置还用于传递待测样品反射的第一激光束和第二激光束；热物性测量系统还包括：对准装置，设置在在第一激光束、第二激光束和距离检测激光的光路上，用于根据第一激光束、第二激光束和距离检测激光部分反射光调整第一激光束、第二激光束和距离检测激光与近场检测装置的位置关系。

本发明实施例提供的热反射测量系统，通过光路调整测量装置产生的第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，通过近场探测装置可以打破远场衍射极限，使分辨率得到很大提高，由于分辨率会受近场探测装置与待测样品之间的距离影响，因此，采用距离控制装置检测并调整近场探测装置与待测样品的之间距离可以较好的保证近场探测装置进行近场探测。因此，第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，并通过距离控制装置控制近场探测装置与待测样品之间的距离，可以较大幅度的提高热反射测量的空间分辨率。

附图说明

图1示出了本发明实施例的热反射测量系统的示意图中；

图2示出了本发明实施例的另一热反射测量系统的示意图。

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。

热反射测量系统，通常采用脉冲激光器和后续光路提供两束脉冲激光，一路为加热样品的抽运光，一路用作传感热物性的探测光，经光路系统和计算机控制，两束光作用于样品同一区域。为了获得高时间分辨率的动态测量，由计算机控制安装有平行光反射镜的电控位移平台作高精度运动，通过调整抽运光和探测光的光程差来实现。反射的两束激光通过滤波片滤除抽运激光束，即加热激光束，通过光电转换器得到热物参数。然而，发明人在采用该系统对纳米材料横向和三维纳米结构进行热反射测量时，测得的数据偏差较大，所测得的数据无法应用，经过发明人研究发现，上述系统可以在微米级取得较好的测量效果，测得数据较为准确，该系统的空间分辨率只是在微米量级，无法测量纳米量级的数据。发明人发现，由于光的衍射效应，激光的聚焦光斑在微米量级。

因此，发明人提出了一种热反射测量系统以提高热反射测量的分辨率，如图1所示，该系统包括：脉冲激光发生器1，用于提供脉冲激光；光路调整测量装置100，接收脉冲激光，用于将脉冲激光分为用于探测待测样品200的第一激光束和用于加热待测样品200的第二激光束，并对第一激光束和第二激光束进行调整，以使第一激光束和第二激光束间隔预设时长达到待测样品200的同一区域，对当前区域的热物性进行测量；近场探测装置300，设置在光路调整装置的输出光路上，用于将第一激光束和第二激光束传递至待测样品200。距离控制装置400，用于检测并调整近场探测装置与待测样品200的之间距离。

第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，通过近场探测装置可以突破远场衍射极限，由于分辨率会受近场探测装置与待测样品之间的距离影响，因此，采用距离控制装置检测并调整近场探测装置与待测样品的之间距离可以较好的保证近场探测装置进行近场探测。因此，第一激光束即探测光和第二激光束即加热光均通过近场探测装置，并通过距离控制装置控制近场探测装置与待测样品之间的距离，可以较大幅度的提高热反射测量的空间分辨率。

在本实施例中，近场探测装置300可以包括近场探针，具有用于第一激光束和第二激光束通过的光阑孔。由于光阑孔的存在，激光束从光阑孔透过，因此，光阑孔的直径影响热反射测量的空间分辨率，在本实施例中，通常采用百纳米级光阑孔，例如，光阑孔的孔径可以为100纳米-1000纳米，为保证较高的空间分辨率，在本实施例中可以采用100纳米、150纳米、200纳米、250纳米、300纳米、500纳米等孔径的光阑孔，优选的，可以采用100纳米-250纳米孔径的光阑孔。在本实施例中，并不限于百纳米级别的光阑孔，其他能够满足本实施例需求的空间分辨率的光阑孔同样适用于本实施例。

为进一步提高近场探测装置的使用寿命，以及稳定性，在本实施例中，近场探针的材料可以为硅，由于硅的耐热性，热稳定性等良好的性能，可以提高近场探测装置的使用寿命，以及稳定性。在本实施例中，中空的硅近场探针34可以采用聚焦离子束制备。

在本实施例中，为保证较高的空间分辨率，距离控制装置400可以将近场探测装置300与待测样品200的之间距离控制在小于20纳米。具体的，距离控制装置400包括：距离检测组件，用于发射距离检测信号至近场探测装置300，并接受近场探测装置300反射的距离检测信号。具体的，可以通过测距激光进行测距，在本实施例中，距离检测信号可以为距离检测激光，距离检测组件包括：半导体激光器20，用于发射预设波长的距离检测激光；在本实施例中，可以采用653纳米的红光作为距离检测激光。距离检测组件可以包括光路调整器，用于调整距离检测激光的方向，距离检测激光照射在近场探测装置；光路调整器可以为可调反光镜，通过调整反光镜的角度调整距离检测激光的方向。在距离检测激光照射在近场探测装置300上后，具体的，可以照射在硅近场探针34的悬臂梁上，反射回来后，到达四象限光电探测器26，接收近场探测装置300反射的距离检测激光，并将转换反射的距离检测激光为电信号。位置调整组件，与近场探测装置300连接，用于根据电信号调整近场探测装置300与待测样品200之间的距离。以保证近场探测装置300与待测样品200之间的距离小于20纳米。在本实施例中，位置调整组件包括：第一三维工作台33和/或第二三维工作台34；第一三维工作台33用于承载近场探测装置300；第二三维工作台35用于承载待测样品200。近场探测装置输出的光束垂直照射到待测样品200表面，通过控制第一三维平台33和/或第二三维平台35不仅在Z方向上调整近场探测装置300与待测样品200之间的距离，还可以通过X/Y方向移动，以探测待测样品200不同区域的热物性等参数。

在本实施例中，在光束进入近场探测装置300之前，还可以先通过物镜32，设置在第一激光束、第二激光束和距离检测激光的光路上，用于对第一激光束、第二激光和距离检测激光进行聚焦。

为保证第一光束和第二光束能够较为准确的穿过硅近场探针34的光阑孔，在本实施例中，可以通对准装置500进行对位，具体的，对准装置500设置在在第一激光束、第二激光束和距离检测激光的光路上，用于根据第一激光束、第二激光束和距离检测激光部分反射光调整第一激光束、第二激光束和距离检测激光与近场检测装置的对位。对准装置可以包括一个分束器，将部分光分出来，传到CCD相机30上，通过CCD相机30的观察对其进行位置对准。

下面结合图2对本实施例的热反射测量系统的工作原理进行说明，如图2所示，脉冲激光器1产生波长为800纳米的飞秒激光，脉冲宽度和重复频率分别为100飞秒和80M赫兹。脉冲激光束通过光隔离器2，光隔离器2消除了被反射光对激光器的影响，使得发射的激光束稳定。激光束通过第一波片3获得激光束需要的偏振状态，再经第一分束器5得到两束光；第一激光束经过扩束器7扩束后通过倍频器8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，然后第一激光束由第二反射镜10和第三反射镜11改变方向照射到安装于电控位移平台12的平行光反射镜13上，电控位移平台的行程范围为600毫米，最小位移增量为1.25微米，一个300纳米的光程差可以实现1飞秒的时间差，1.25微米对应于4.17飞秒的时间差，电控位移平台12移动由控制器例如计算机控制，然后第一激光束通过第五分束器29、第二波片28、第五反射镜19后入射到第四分束器27；来自脉冲激光器1的光束经第一分束器5得到的第二激光束，第五分束器采用偏振分束立方体，用于接收偏振方向发生旋转的水平偏振的激光束，输出偏振方向水平的激光束第二激光束经电光调制器4后加载某个频率特征的信号成为调制脉冲激光，调制信号来自信号发生器15，电光调制器4输出的调制脉冲激光通过第四反射镜14、第六反射镜22和第二分束器23后与第一激光束在第四分束器27处汇合；汇合的激光束通过第六分束器31入射到物镜32上，聚焦后进入硅近场探针34的光阑孔，硅近场探针34安装在第一三维工件台33上，以便于激光束和光阑孔对准，由光阑孔透射出来的激光照射到待测样品200上，其中第二激光束用来加热样品，第一激光束用来感知被加热样品的热物性参数变化，待测样品200安装在第二三维工件台35上，通过移密三维工件台35改变样品测试点，第一三维工件台33和第二三维工件台35的运动均由计算机9控制；被样品反射回的激光反向进入硅近场探针34光阑孔，经物镜32收集依次经过第六分束器31、第四分束器27、第五反射镜19、第二波片28、第五分束器29、滤光片18后得到只含有波长400纳米的带有样品热物性参数信息的探测激光束2，滤光片18输出的激光进入光电倍增管17转换为电信号，该电信号连接到锁相放大器16，锁相放大器16将与信号发生器15提供的参考信号同频率的信号分离并输入到计算机9进行信号处理，获得热物性等参数；半导体激光器20产生波长为653纳米距离检测激光，653纳米距离检测激光经第一可调反射镜21和第二可调反射镜24调整方向后通过第三分束器25、第二分束器23、第四分束器27、第六分束器31入射到物镜32上，经物镜32聚焦后照射到硅近场探针34悬臂梁前端，由悬臂梁反射的653纳米距离检测激光反向通过物镜32，依次经过第六分束器31、第四分束器27、第二分束器23、第三分束器25照射到四象限光电探测器26上，四象限光电探测器26的输出信号用来保证硅近场探针的针尖和样品间距离在近场范围；CCD相机30用于辅助第一激光束和第二激光束及653纳米距离检测激光和硅近场探针的对准。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种热反射测量系统，包括：

脉冲激光发生器，用于提供脉冲激光；

光路调整测量装置，接收所述脉冲激光，用于将所述脉冲激光分为用于探测所述待测样品的第一激光束和用于加热待测样品的第二激光束，并对所述第一激光束和所述第二激光束进行调整，以使所述第一激光束和所述第二激光束间隔预设时长达到待测样品的同一区域，对当前区域的热物性进行测量；

其特征在于，还包括：

近场探测装置，设置在所述光路调整装置的输出光路上，用于将所述第一激光束和所述第二激光束传递至所述待测样品；

距离控制装置，用于检测并调整所述近场探测装置与所述待测样品的之间距离。

2.如权利要求1所述的热反射测量系统，其特征在于，所述近场探测装置包括：

近场探针，具有用于所述第一激光束和所述第二激光束通过的光阑孔。

3.如权利要求2所述的热反射测量系统，其特征在于，所述光阑孔的孔径为100纳米-1000纳米。

4.如权利要求3所述的热反射测量系统，其特征在于，所述光阑孔的孔径为100纳米-250纳米。

5.如权利要求2-4任意一项所述的热反射测量系统，其特征在于，所述近场探针由硅制成。

6.如权利要求1-4任意一项所述的热反射测量系统，其特征在于，所述近场探测装置与所述待测样品的之间距离小于20纳米。

7.如权利要求6所述的热反射测量系统，其特征在于，所述距离控制装置包括：

距离检测组件，用于发射距离检测信号至所述近场探测装置，并接受所述近场探测装置反射的所述距离检测信号；

位置调整组件，与所述近场探测装置连接，用于根据所述反馈信号调整所述近场探测装置与所述待测样品之间的距离。

8.如权利要求7所述的热反射测量系统，其特征在于，所述距离检测信号包括：距离检测激光，所述距离检测组件包括：

半导体激光器，用于发射预设波长的距离检测激光；

光路调整器，用于调整所述距离检测激光的方向，所述距离检测激光照射在所述近场探测装置；

四象限光电探测器，接收所述近场探测装置反射的距离检测激光，并将所述转换反射的距离检测激光为电信号。

9.如权利要求7所述的热反射测量系统，其特征在于，所述位置调整组件包括：

第一三维工作台和/或第二三维工作台；

所述第一三维工作台用于承载所述探测装置；

所述第二三维工作台用于承载所述待测样品。

10.如权利要求8或9所述的热反射测量系统，其特征在于，还包括：

物镜，设置在所述第一激光束、所述第二激光束和所述距离检测激光的光路上，用于对所述第一激光束、所述第二激光和所述距离检测激光进行聚焦。

11.如权利要求10所述的热反射测量系统，其特征在于，所述近场检测装置还用于传递所述待测样品反射的所述第一激光束和所述第二激光束；

所述热物性测量系统还包括：

对准装置，设置在在所述第一激光束、所述第二激光束和所述距离检测激光的光路上，用于根据所述第一激光束、所述第二激光束和所述距离检测激光部分反射光调整所述第一激光束、所述第二激光束和所述距离检测激光与所述近场检测装置的位置关系。