CN215218632U - 热导测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及热导测量设备技术领域，提供一种热导测量装置及系统，上述热导测量装置包括激光发生器、光路组件、非相干光源、入射光纤、接收光纤和光电探测器，激光发生器通过光路组件向微纳薄膜材料投射加热激光且在微纳薄膜材料上形成第一光斑，非相干光源通过入射光纤向微纳薄膜材料投射探测光且在微纳薄膜材料上形成与第一光斑相重合的第二光斑，探测光经微纳薄膜材料反射形成第一反射光，光电探测器通过接收光纤接收第一反射光，由于探测光为非相干光，有效避免探测光产生干涉效应，有效提高热导测量装置的测量精度；通过入射光纤和接收光纤分别实现对探测光的投射和对第一反射光的接收，有效简化光路结构，提高可操作性。

Description

热导测量装置及系统

技术领域

本实用新型涉及热导测量设备技术领域，尤其提供一种热导测量装置及系统。

背景技术

近年来，随着材料和器件的尺寸不断缩小，使得材料和器件的能量输运和转化的过程在空间/时间尺度上朝纳米/飞秒方向拓展，给物理、化学、材料、电子等学科领域带来了诸多挑战。其中，微纳材料的热导参数对结构性能的影响越来越大，微纳材料的热导参数的测量已成为微纳科技产业中极具挑战但又亟待产业化的重要测量技术。

目前，市面上用于对微纳材料的热导参数进行测量的测量装置根据不同的工作原理可分为多种，如基于激光闪射法的热导测量装置、基于调制光热反射法的热导测量装置、基于瞬态光热反射法的热导测量装置等，其中，由于基于瞬态光热反射法的热导测量装置的测量精度要求低，且具备应用范围广、制造成本低、可集成度高等优势，使其成为更为适合推广应用的一种热导测量装置，但是，传统的基于瞬态光热反射法的热导测量装置的测量误差较大，而且需要搭建复杂的光路来实现光的投射和接收，结构复杂且可操作性低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种热导测量装置及系统，旨在解决现有的热导测量装置测量误差较大、结构复杂且可操作性低的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案是：一种热导测量装置，包括激光发生器、光路组件、非相干光源、入射光纤、接收光纤和光电探测器，所述激光发生器通过所述光路组件向微纳薄膜材料投射加热激光且在所述微纳薄膜材料上形成第一光斑，所述非相干光源通过所述入射光纤向所述微纳薄膜材料投射探测光且在所述微纳薄膜材料上形成与所述第一光斑相重合的第二光斑，所述探测光经所述微纳薄膜材料反射形成第一反射光，所述光电探测器通过所述接收光纤接收所述第一反射光。

本实用新型提供的热导测量装置至少具有以下有益效果：上述热导测量装置基于瞬态光热反射法实现，通过采用激光发生器向微纳薄膜材料投射加热激光以对微纳薄膜材料进行局部加热，并通过采用非相干光源向微纳薄膜材料的加热位置投射探测光，探测光经微纳薄膜材料反射形成第一反射光，第一反射光经接收光纤进入光电探测器中，光电探测器将第一反射光转化为电信号，并将电信号传输到分析设备，分析设备对所述电信号进行分析得到微纳薄膜材料的热导参数；由于探测光为非相干光，有效避免探测光产生干涉效应而带来测量误差，从而有效提高上述热导测量装置的测量精度；此外，上述热导测量装置采用入射光纤和接收光纤分别实现对探测光的投射和对第一反射光的接收，有效简化光路结构，而且入射光纤和接收光纤可根据工作需要朝不同方向弯曲，有效提高上述热导测量装置的可操作性。

在其中一实施例中，所述入射光纤靠近所述微纳薄膜材料的一端设有光纤准直器。

在其中一实施例中，所述热导测量装置还包括设于所述入射光纤上的光耦合器，所述接收光纤连接于所述光耦合器与所述光电探测器之间，所述探测光的投射方向垂直于所述微纳薄膜材料的表面。

在其中一实施例中，所述加热激光的投射方向与所述探测光的投射方向相交设置。

在其中一实施例中，所述光路组件包括扩束器和聚焦物镜，所述加热激光依次经过所述扩束器和所述聚焦物镜投射到所述微纳薄膜材料上。

在其中一实施例中，所述光路组件还包括若干全反光镜，所述加热激光依次经过所述扩束器、各所述全反光镜和所述聚焦物镜投射到所述微纳薄膜材料上。

在其中一实施例中，所述热导测量装置还包括摄像器，所述摄像器的工作端与所述微纳薄膜材料靠近所述入射光纤的表面相对设置。

在其中一实施例中，所述摄像器为CCD相机或CMOS相机。

在其中一实施例中，所述非相干光源为单色LED光源。

一种热导测量系统，包括分析设备和上述热导测量装置，所述热导测量装置的光电探测器与所述分析设备电性连接。

由于上述热导测量系统采用了上述热导测量装置的所有实施例，因而至少具有上述实施例的所有有益效果，在此不再一一赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的热导测量系统的结构示意图；

图2为图1所示热导测量系统的应用方法的流程图。

其中，图中各附图标记：

10、热导测量系统，11、热导测量装置，111、激光发生器，112、光路组件，1121、扩束器，1122、聚焦物镜，1123、全反光镜，113、非相干光源，114、入射光纤，1141、光纤准直器，115、接收光纤，116、光电探测器，117、光耦合器，118、摄像器，119、位移台，12、分析设备。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面以采用覆盖有金属换能层的微纳薄膜材料作为待测样品为例对本实用新型实施例提供的热导测量装置11、系统及方法进行详细说明，其中，金属换能层为Au换能层、Al换能层等，下面以Au换能层为例进行说明。

请结合图1所示，一种热导测量装置11，包括激光发生器111、光路组件 112、非相干光源113、入射光纤114、接收光纤115和光电探测器116，激光发生器111通过光路组件112向微纳薄膜材料的Au换能层投射加热激光且在微纳薄膜材料的Au换能层上形成第一光斑，非相干光源113通过入射光纤114向微纳薄膜材料的Au换能层投射探测光且在微纳薄膜材料的Au换能层上形成与第一光斑相重合的第二光斑，探测光经微纳薄膜材料的Au换能层反射形成第一反射光，光电探测器116通过接收光纤115接收第一反射光。

其中，加热激光的波长可为不同数值，目前较为常用的加热激光波长为 1064nm，当然，加热激光的波长还可为不同数值，如800nm、405nm等，在此不作具体限定；探测光的波长与金属换能层的类型相关，如当金属换能层为Au 换能层时，探测光的波长为532nm，这样，有效提高探测光对Au换能层的反射灵敏度。

上述热导测量装置11基于瞬态光热反射法实现，通过采用激光发生器111 向微纳薄膜材料的Au换能层投射加热激光以对微纳薄膜材料进行局部加热，并通过采用非相干光源113向微纳薄膜材料的加热位置投射探测光，探测光经微纳薄膜材料的Au换能层反射形成第一反射光，第一反射光经接收光纤115进入光电探测器116中，光电探测器116将第一反射光转化为电信号，并将电信号传输到分析设备12，分析设备12对电信号进行分析得到微纳薄膜材料的热导参数；由于探测光为非相干光，有效避免探测光产生干涉效应而带来测量误差，从而有效提高上述热导测量装置11的测量精度；此外，上述热导测量装置11 采用入射光纤114和接收光纤115分别实现对探测光的投射和对第一反射光的接收，有效简化光路结构，而且入射光纤114和接收光纤115可根据工作需要朝不同方向弯曲，有效提高上述热导测量装置11的可操作性。

在本实施例中，请结合图1所示，入射光纤114靠近微纳薄膜材料的一端设有光纤准直器1141。

具体地，上述热导测量装置11还包括位移台119，微纳薄膜材料水平放置在位移台119上，光纤准直器1141可使第二光斑达到较小的尺寸，通过将位移台119的位移精度调整至与第二光斑的尺寸相匹配，可有效提高上述热导测量装置11的空间分辨率。

例如，光纤准直器1141将第二光斑的尺寸调整至0.5μm，再通过采用位移精度达到0.5μm的位移台119，即可实现上述热导测量装置11的空间分辨率达到0.5μm。

在本实施例中，请结合图1所示，热导测量装置11还包括设于入射光纤114 上的光耦合器117，接收光纤115连接于光耦合器117与光电探测器116之间，探测光的投射方向垂直于微纳薄膜材料的Au换能层的表面。当探测光到达微纳薄膜材料的Au换能层的表面时，探测光经微纳薄膜材料的Au换能层的表面反射形成第一反射光，第一反射光同样垂直于微纳薄膜材料的Au换能层的表面并返回入射光纤114中，随后，第一反射光经过光耦合器117进入反射光纤，最后到达光电探测器116中，通过采用上述技术方案，有效降低上述热导测量装置11的光路的设计难度，同时可进一步简化上述热导测量装置11的光路结构。

在本实施例中，请结合图1所示，加热激光的投射方向与探测光的投射方向相交设置。加热激光到达微纳薄膜材料的Au换能层的表面后反射形成第二反射光，由于加热激光的投射方向与探测光的投射方向相交设置，因此，第二反射光与探测光不重合，这样，无需额外设置滤波片对第二反射光进行过滤，可进一步简化上述热导测量装置11的光路结构。

在本实施例中，请结合图1所示，光路组件112包括扩束器1121和聚焦物镜1122，加热激光依次经过扩束器1121和聚焦物镜1122投射到微纳薄膜材料的Au换能层的表面，其中，扩束器1121可为开普勒式激光扩束器1121或伽利略式激光扩束器1121。具体地，加热激光经过扩束器1121扩束并准直后通过聚焦物镜1122聚焦到微纳薄膜材料的Au换能层上以形成第一光斑，以此缩小第一光斑的尺寸。

具体地，第一光斑的半径尺寸控制在20μm至50μm之间，需要说明的是，为方便对第一光斑和第二光斑进行对准调节，第一光斑的半径尺寸比第二光斑的半径尺寸大一个数量级，例如，当第一光斑的半径尺寸为50μm时，第二光斑的半径尺寸为0.5μm。

具体地，请结合图1所示，光路组件112还包括若干全反光镜1123，加热激光依次经过扩束器1121、各全反光镜1123和聚焦物镜1122投射到微纳薄膜材料的Au换能层上。全反光镜1123的设置数量以及各全反光镜1123的设置角度可根据实际应用场景进行设定，例如，如图1所示，全反光镜1123设置2个，其中一个全反光镜1123的设置角度为45°，另一全反光镜1123的设置角度为 60°，从激光发生器111出射的加热激光水平投射到设置角度为45°的全反光镜1123上后被垂直反射到设置角度为60°的全反光镜1123上，最后以30°的角度投射到微纳薄膜材料的Au换能层的表面。

在本实施例中，请结合图1所示，热导测量装置11还包括摄像器118，摄像器118的工作端与微纳薄膜材料的Au换能层相对设置。通过设置摄像器118 可实时监测第一光斑的位置和第二光斑的位置，便于对第一光斑的位置和第二光斑的位置进行调整，以确保第一光斑与第二光斑相重合。

具体地，摄像器118为CCD(Charge Coupled Devic，电荷耦合器件)相机或CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体) 相机。

在本实施例中，非相干光源113为单色LED光源。

请结合图1所示，一种热导测量系统10，包括分析设备12和上述热导测量装置11，热导测量装置11的光电探测器116与分析设备12电性连接。其中，上述分析设备12的种类包含多种，如示波器、带有数字转换卡的计算机等，在此不作具体限定。

由于上述热导测量系统10采用了上述热导测量装置11的所有实施例，因而至少具有上述实施例的所有有益效果，在此不再一一赘述。

请结合图2所示，应用上述热导测量系统10的方法包括以下步骤：

步骤S100、将微纳薄膜材料水平放置在位移台119上；

步骤S200、激光发生器111通过光路组件112向微纳薄膜材料的Au换能层投射加热激光且在微纳薄膜材料的Au换能层上形成第一光斑，以将对微纳薄膜材料进行局部加热；

步骤S300、非相干光源113通过入射光纤114向微纳薄膜材料的Au换能层投射探测光且在微纳薄膜材料的Au换能层上形成与第一光斑相重合的第二光斑；

步骤S400、探测光经微纳薄膜材料的Au换能层反射形成第一反射光，第一反射光经接收光纤115进入光电探测器116；

步骤S500、光电探测器116将第一反射光转化为电信号，并将电信号传输到分析设备12；

步骤S600、分析设备12对电信号进行分析得到微纳薄膜材料的热导参数。

具体地，在步骤S200中，从激光发生器111出射的加热激光通过扩束器1121 进行扩束和准直处理后，再各全反光镜1123相互配合以改变加热激光的光路，加热激光最后经聚焦物镜1122聚焦并投射到微纳薄膜材料的Au换能层上，以形成上述第一光斑。

具体地，在步骤S600中，分析设备12根据所接收的电信号形成瞬态热反射曲线，并将瞬态热反射曲线导入瞬态导热模型中，其中，第一反射光经光电探测器116转化后的电信号变化与微纳薄膜材料的表面温度变化成正比，根据上述电信号随时间的瞬态变化可以分析拟合出微纳薄膜材料的导热率、Au换能层与微纳薄膜材料之间的界面热阻等热导参数。

其中，瞬态导热模型包括但不仅限于Au模型、界面热阻层模型、材料层模型、衬底层模型。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热导测量装置，其特征在于：所述热导测量装置包括激光发生器、光路组件、非相干光源、入射光纤、接收光纤和光电探测器，所述激光发生器通过所述光路组件向微纳薄膜材料投射加热激光且在所述微纳薄膜材料上形成第一光斑，所述非相干光源通过所述入射光纤向所述微纳薄膜材料投射探测光且在所述微纳薄膜材料上形成与所述第一光斑相重合的第二光斑，所述探测光经所述微纳薄膜材料反射形成第一反射光，所述光电探测器通过所述接收光纤接收所述第一反射光。

2.根据权利要求1所述的热导测量装置，其特征在于：所述入射光纤靠近所述微纳薄膜材料的一端设有光纤准直器。

3.根据权利要求1所述的热导测量装置，其特征在于：所述热导测量装置还包括设于所述入射光纤上的光耦合器，所述接收光纤连接于所述光耦合器与所述光电探测器之间，所述探测光的投射方向垂直于所述微纳薄膜材料的表面。

4.根据权利要求1所述的热导测量装置，其特征在于：所述加热激光的投射方向与所述探测光的投射方向相交设置。

5.根据权利要求1所述的热导测量装置，其特征在于：所述光路组件包括扩束器和聚焦物镜，所述加热激光依次经过所述扩束器和所述聚焦物镜投射到所述微纳薄膜材料上。

6.根据权利要求5所述的热导测量装置，其特征在于：所述光路组件还包括若干全反光镜，所述加热激光依次经过所述扩束器、各所述全反光镜和所述聚焦物镜投射到所述微纳薄膜材料上。

7.根据权利要求1所述的热导测量装置，其特征在于：所述热导测量装置还包括摄像器，所述摄像器的工作端与所述微纳薄膜材料靠近所述入射光纤的表面相对设置。

8.根据权利要求7所述的热导测量装置，其特征在于：所述摄像器为CCD 相机或CMOS相机。

9.根据权利要求1-8任一项所述的热导测量装置，其特征在于：所述非相干光源为单色LED光源。

10.一种热导测量系统，其特征在于：所述热导测量系统包括分析设备和如权利要求1-9任一项所述的热导测量装置，所述热导测量装置的光电探测器与所述分析设备电性连接。

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